發(fā)布時間：2020-04-08 03:52

【摘要】：磁電復(fù)合材料通過將兩種功能型材料復(fù)合在一起,由兩種材料的相互耦合實現(xiàn)磁能與電能的相互轉(zhuǎn)換,在多種復(fù)合方式中,層合磁電復(fù)合材料由于結(jié)構(gòu)簡單,易于制備,磁電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢吸引了眾多來自物理、力學(xué)等領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。這使得磁電復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于多功能器件制造領(lǐng)域,例如磁場探測器、磁電俘能器、磁電存儲器等。目前,對磁電復(fù)合材料的研究主要集中于提高磁電系數(shù)和拓寬磁電響應(yīng)頻率范圍兩個方面,近年來取得了重大的進(jìn)步。之前的眾多研究中,主要集中考慮應(yīng)力、磁場、溫度等因素對磁電效應(yīng)的影響。也有部分研究關(guān)注結(jié)構(gòu)尺寸對磁電系數(shù)的影響規(guī)律,但大多數(shù)都是厚度方向,即通過考慮組分材料的體積比,很少涉及到其他兩個維度的影響,因為理論模型多數(shù)局限于二維情形,而且考慮時都假設(shè)兩種組分材料的長度相等,對于長度不一致則無法計算,這也是目前眾多理論模型的不足之處。此外,理論模型大多只考慮了穩(wěn)態(tài)情形下的磁電響應(yīng),但實際上磁電結(jié)構(gòu)所處的真實環(huán)境為一個瞬態(tài)過程,而且在實際中,磁電結(jié)構(gòu)都是三維。另外,拓寬磁電響應(yīng)范圍也是一個重要的研究課題,傳統(tǒng)的磁電器件只在較窄的范圍內(nèi)系數(shù)較大,但環(huán)境中的瞬態(tài)磁場的頻率變化范圍較大,因此為了更好的收集周圍環(huán)境中的能量,需要磁電器件在較寬的范圍內(nèi)保持良好性能。近來有研究表明磁電效應(yīng)可以應(yīng)用于調(diào)控壓電半導(dǎo)體的載流子輸運過程,但缺乏相關(guān)的理論研究。鑒于此,本文首先針對層合磁電復(fù)合材料的磁-力-電耦合問題建立了三維有限元動態(tài)分析模型。其次,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計,提出了一種拓寬磁電響應(yīng)范圍的新型結(jié)構(gòu)。隨著多功能納米器件的發(fā)展,有學(xué)者提出可以利用磁電效應(yīng)實現(xiàn)非接觸控制方式調(diào)控壓電半導(dǎo)體內(nèi)載流子移動。具體研究如下:首先,基于磁致伸縮材料的非線性本構(gòu)關(guān)系以及壓電材料的線性本構(gòu)方程,針對層合磁電復(fù)合材料動態(tài)響應(yīng)行為建立了一個磁-力-電多場耦合三維有限元模型。通過將模擬的結(jié)果和他人的實驗進(jìn)行對比,吻合較好,說明建立的有限元模型可以有效預(yù)測磁電復(fù)合材料的磁電響應(yīng)行為。通過選取材料內(nèi)部截面,給出了磁電復(fù)合材料內(nèi)部磁通密度、位移、電壓、應(yīng)力的分布云圖,由于退磁效應(yīng)以及邊界效應(yīng)的存在,導(dǎo)致上述變量在磁電復(fù)合材料內(nèi)部為非均勻分布。另外,在結(jié)構(gòu)長度不變的情形下,發(fā)現(xiàn)改變結(jié)構(gòu)的寬度對磁電響應(yīng)也具有重要影響,長寬比越小,結(jié)構(gòu)的退磁效應(yīng)越明顯。而且長寬比對磁電響應(yīng)的影響在低、中、高磁場下的影響規(guī)律有所區(qū)別。在瞬態(tài)磁場作用下,磁電系數(shù)隨時間的變化趨勢是逐漸增強(qiáng),最后趨于穩(wěn)定,通過對磁電響應(yīng)和瞬態(tài)磁場進(jìn)行傅里葉分析,發(fā)現(xiàn)磁電響應(yīng)頻率為瞬態(tài)磁場頻率的兩倍,即出現(xiàn)倍頻現(xiàn)象。兩種材料通過界面耦合,材料內(nèi)部應(yīng)力的分布形式將直接影響壓電層中的電壓分布形式,并且在結(jié)構(gòu)達(dá)到共振后,界面處的切應(yīng)力較大,可能會導(dǎo)致脫粘現(xiàn)象。其次,為了拓寬磁電效應(yīng)的響應(yīng)頻率,設(shè)計了一種新型磁電器件。由于新結(jié)構(gòu)的自由度比傳統(tǒng)層合結(jié)構(gòu)更多,因此也會產(chǎn)生更多的共振模態(tài)。相比于傳統(tǒng)的磁電器件,本文設(shè)計的新型磁電器件不僅可以在較寬的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)多個共振峰,而且共振頻率較低,避免高頻情形下的渦流損耗對磁電響應(yīng)的影響。由于各個共振峰相鄰比較近或者有重疊部分,導(dǎo)致該磁電器件可以在較寬的頻率范圍內(nèi)保持優(yōu)良的磁電性能。另外,通過有限元的方法模擬了該磁電器件的共振模態(tài),和實驗結(jié)果吻合良好。通過有限元分析和實驗測量,說明本文設(shè)計的新型磁電結(jié)構(gòu)可以有效實現(xiàn)在低頻情形下的寬頻磁電響應(yīng),這種新型磁電器件在寬頻磁電器件的應(yīng)用具有巨大潛力。最后,由于壓電半導(dǎo)體多功能納米器件的發(fā)展,在壓電半導(dǎo)體中存在力-電-載流子的耦合關(guān)系,而磁電復(fù)合材料的磁電響應(yīng)也是一個多物理場耦合的問題,因此,把壓電半導(dǎo)體和磁電復(fù)合材料組合成新的多功能納米器件將會是一個復(fù)雜的多物理場耦合問題。目前,已有部分實驗將磁電效應(yīng)引入到壓電半導(dǎo)體器件中,用以實現(xiàn)非接觸式的調(diào)控壓電勢的新方式,但相關(guān)的理論研究十分少。所以建立了相關(guān)的理論模型預(yù)測各種因素對壓電半導(dǎo)體的性能的影響十分重要。接著,考慮到p-n結(jié)在半導(dǎo)體器件中存在普遍的應(yīng)用,研究了p-n結(jié)對壓電半導(dǎo)體的電勢分布的影響規(guī)律。另外,由于結(jié)構(gòu)尺寸為納米量級,表面應(yīng)力將成為影響壓電半導(dǎo)體多功能納米器件性能的一個重要因素,本文基于Gurtin-Murdoch理論研究了在考慮表面效應(yīng)對壓電半導(dǎo)體器件的壓電勢的影響規(guī)律�？傊�,本文建立的磁電復(fù)合材料三維有限元多場耦合動態(tài)模型完善了磁電效應(yīng)的理論研究;并提出了新的磁電構(gòu)型,為拓寬磁電響應(yīng)頻率范圍提供了新的思路;將磁電復(fù)合材料的多場耦合和壓電半導(dǎo)體多場耦合相結(jié)合,為納米器件的非接觸式調(diào)控方式提供理論指導(dǎo)。
【圖文】：

士學(xué)位論文 磁電復(fù)合材料多場耦合有限元D 除了磁致伸縮系數(shù)較大外（常見的大約 2000ppm大、磁機(jī)耦合系數(shù)高、能量密度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)此被廣泛應(yīng)用于國防軍工、機(jī)械、電子器件以及精密聲吶測距系統(tǒng)、骨傳導(dǎo)系統(tǒng)[2]、致動器、微型燃料是在低頻情形[3]。在較高頻率下，YIG 由于具有低損用。近年來，也有一些新的磁致伸縮材料被發(fā)現(xiàn)，金[6]、金屬玻璃非晶態(tài)合金（Metglas）[7-10]。這些新的不同特性，根據(jù)不同的磁電器件的設(shè)計需求選用磁致伸縮材料的應(yīng)用范圍以及制備高性能磁致伸縮

學(xué)位論文 磁電復(fù)合材料多場耦合有限定的預(yù)壓力可以有效提高磁致伸縮應(yīng)變。的性能及應(yīng)用一類可以將電能和機(jī)械能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化的功能變形，變形后壓電材料晶體內(nèi)部電荷中心位置發(fā)的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，，從而形成內(nèi)部部電場也將消失，這種現(xiàn)象被稱為正壓電效應(yīng)。力的方向不同改變極性。與之相對應(yīng)的逆壓電效材料將會發(fā)生形變，將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動[1在 石英的研究中發(fā)現(xiàn)[13]。隨后，Lippman 猜測壓電晶體在極化電場作用下可以將電信號轉(zhuǎn)換英晶體中逆壓電常數(shù)，證實了 Lippman 的猜測
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB33

【參考文獻(xiàn)】

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2 師陽;張娟娟;高原文;;層狀柱殼磁電復(fù)合材料的非線性磁電效應(yīng)研究[J];固體力學(xué)學(xué)報;2013年05期

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5 萬永平,方岱寧,黃克智;磁致伸縮材料的非線性本構(gòu)關(guān)系[J];力學(xué)學(xué)報;2001年06期

本文編號：2618852