Ni/Pb(Zr,Ti)O3/TbFe2层状复合材料的谐振磁电特性研究

采用化学镀和黏接法制备层状磁电复合材料Ni/PZT/TbFe₂,研究其磁电性能及谐振频率随Ni层厚度的变化情况. 结果表明:Ni/PZT/TbFe₂层状磁电复合材料与其他结构的磁电性能不同,其一阶弯曲谐振峰值和纵向谐振峰值都很大. 随着Ni层厚度的增加,Ni/PZT/TbFe₂层状磁电复合材料的一阶纵向谐振峰值逐渐增大. 结合实验数据和理论计算值得出了材料的一阶弯曲谐振频率fr1和一阶纵向谐振频率f 关键词： 磁电效应 正磁致伸缩 负磁致伸缩 谐振频率     

TbDyFe/PZT层状复合材料的磁电效应研究

磁致伸缩/压电复合材料通过磁致伸缩和压电效应的乘积而可以获得大的磁电效应.用磁控溅射方法制备了TbDyFe/PZT层状复合材料，实验测试了TbDyFe/PZT两层及TbDyFe/PZT/TbDyFe三层复合材料的磁电电压系数随周期磁场频率的变化关系，并采用有限元数值计算方法对两种材料的磁电电压系数进行了计算.研究结果表明，实验测试曲线与数值计算结果符合很好，所制备的层状复合材料在共振频率处存在最大的磁电电压系数值，由于两层板与三层板的振动模式不同，三层复合板的共振频率远高于两层复合板的共振频率.在非共振频率下，三层复合板的磁电转换效应高于两层复合板.有限元计算结果还显示，磁电层状复合材料的磁电电压系数随磁致伸缩层厚度的增加而增大. 关键词： 磁电效应 层合板 TbDyFe 有限元分析     

偏置磁场对磁致伸缩/弹性/压电层合材料磁电效应的影响

根据磁致伸缩材料的非线性本构关系得到其动态杨氏弹性模量和动态压磁系数,结合等效电路法得到磁致伸缩/弹性/压电层合材料的磁电效应与磁致伸缩材料的动态杨氏弹性模量和动态压磁系数的关系,讨论了偏置磁场对这种层合材料的谐振频率和谐振磁电电压转换系数的影响.理论推导和实验结果均表明,存在最佳偏置磁场使磁致伸缩/弹性/压电层合材料的谐振磁电电压转换系数最大. 关键词： 磁致伸缩/弹性/压电层合材料 磁电效应 偏置磁场 非线性本构关系     

考虑损耗的磁致/压电层合材料谐振磁电响应分析

运用等效电路法，对磁致/压电层合材料谐振状态下的磁电响应进行分析，得到了材料在谐振状态下的磁电电压转换系数理论计算公式. 详细地分析了磁致/压电层合材料在谐振点附近的磁损耗、机械损耗、电损耗，并给出了各种损耗相应的计算方法和大小，发现谐振状态下，材料的主要损耗来源于机械损耗. 分析结论较好地解释了磁电层合材料在不同偏置磁场下磁电响应的实验结果. 关键词： 磁致/压电层合材料 磁电效应 谐振 损耗分析     

磁致伸缩/压电叠层复合材料磁-机-电耦合系数分析

分析和推导了磁致伸缩/压电叠层复合材料的机-电耦合系数、磁-机耦合系数及磁-电耦合系数与磁致伸缩层和压电层性能参数及几何参数之间的关系.进一步分析表明,叠层复合材料低频时的磁电电压系数正比于磁-电耦合系数,谐振时的磁电电压系数正比于磁-电耦合系数与机械品质因素的乘积;磁电电压系数还与复合结构的本征阻抗有关,本征阻抗越大磁电电压系数越大.通过性能差异较大的Terfenol-D和FeNi基弹性合金分别与压电材料PZT5-H和PZT8相互组合构成复合材料的比较分析,进一步阐明了磁电复合材料磁-电耦合系数和机械品 关键词： 磁电效应 磁-机-电耦合系数 磁致伸缩材料 压电材料     

层状磁电复合材料谐振频率下的巨磁电容效应

对三明治复合结构Tb_xDy_1-xFe_2-y/Pb(Zr, Ti)O₃/Tb_xDy_1-xFe_2-y的电容与频率及磁场的函数关系进行了实验和理论研究. 实验发现,该复合材料样品的电容随频率的增加而出现多个谐振峰,并且其谐振点随磁场的增加而发生频移. 在谐振点附近,观察到样品的阻抗随磁场的增加由容抗性转变为感抗性,从而同时观察到巨大的正磁电容效应和负磁电容效应. 由复合材料的弹性力学本构方程出发,对该类样品的电容随频率及磁场的变化进行了理论模拟. 结果显示,模拟曲线与实验结果符合得很好. 理论表明该磁致伸缩/压电复合材料的磁电容效应源于磁场诱变的铁磁相柔顺系数. 关键词： 层状复合材料 界面弹性耦合 磁电容效应     

双层纳米磁电薄膜模型及分析

以层状磁电复合材料弹性力学模型为基础,建立了自由状态下双层纳米磁电薄膜的弹性力学模型,并以此为基础简单介绍了推导其磁电电压系数表达式的方法.计算了CoFe₂Ｏ₄/Pb（Zr_0．52Ti_0．48）Ｏ₃双层纳米复合薄膜的磁电电压系数理论值,分析结果表明基片对薄膜存在强烈的夹持效应,而且基片对压电与磁致伸缩两相材料间最佳体积比有一定的影响. 关键词： 磁电理论 磁电薄膜 铁电材料 磁致伸缩     

非线性磁电换能器模型的谐振磁电效应分析及其输出功率优化

基于非线性磁致伸缩材料的本构方程,建立了一种“磁-力-电”多场耦合的层合磁电换能器的有限元模型,研究了不同偏置磁场下的谐振磁电效应.基于等效电路模型和二端口网络理论,实现了对谐振状态下磁电系数和等效源阻抗的完整求解.在磁电换能器与负载电阻之间引入优化的L节匹配网络,在提升负载功率的同时拓展了工作带宽.仿真结果与相关文献数据吻合,证实了该模型的准确性和有效性.仿真结果表明,所研究的层合磁电换能器,其磁电系数在450 Oe的偏置磁场下达到51.79 V/(cm·Oe)@51.4 kHz,在350 Oe的偏置磁场下达到极限输出功率–3.01 dBm@50.4 kHz.以保证负载功率为前提,通过优化匹配网络,可实现2.30 dB的功率提升和2.27倍的带宽拓展.本文所建立的非线性有限元模型充分考虑了偏置磁场对谐振磁电效应的影响,该研究结果对小型化磁耦合无线功率传输系统的设计和性能提升具有重要的指导意义.     

过渡族元素掺杂BaTiO3-Tb1-xDyxFe2-y层状复合材料中的磁电效应

用溶胶-凝胶法制备1.0%mol Mn,Cr,Co掺杂 BaTiO₃(BTO)粉体,在1350℃下烧结成多晶陶瓷样品.X射线衍射和差示扫描量热分析表明,室温下掺杂BaTiO₃具有四方钙钛矿结构;居里点和相变潜热随Cr,Mn,Co掺杂逐渐降低.将掺杂BaTiO₃与Tb_1-xDy_xFe_2-y(TDF)胶合制成双层磁电复合材料,并研究了Cr:BTO-TDF,Mn∶BTO-TDF,Co:BTO-TDF层状复合材料中的磁电效应.实验表明,在340×80 A·m^-1偏置磁场下, Cr:BTO-TDF的横向磁电电压系数达到最大值586 mV·cm^-1·(80 A·m^-1)^-1.在400×80 A·m^-1偏置磁场下,Mn∶BTO-TDF和Co:BTO-TDF的横向磁电电压系数的最大值分别为480 mV·cm^-1·(80 A·m^-1)^-1和445mV·cm^-1·(80 A·m^-1)^-1.研究表明掺杂BaTiO₃-TDF层状复合材料中具有较强的磁电耦合.作为无铅压电材料,掺杂BaTiO₃制备的磁电效应器件颇具应用前景. 关键词： 磁电效应 双层复合材料 3')" href="#">掺杂BaTiO₃ 1-xDy_xFe_2-y')" href="#">Tb_1-xDy_xFe_2-y     

有限输入阻抗下压电/磁伸层叠材料磁电效应理论及实验

将磁致伸缩材料及压电材料本构方程与运动方程结合,考虑压电材料具有的高输出阻抗的特点及测试设备的有限输入阻抗和传输信号引线电容对磁电效应输出电压的影响,推出了Terfenol-D巨磁伸材料与横向极化Pb(Zr_1-xTi_x)O₃压电材料的磁电效应理论,研制了由一维磁伸材料构成的三明治结构元件并对其性能进行了测试,采用考虑了测试系统有限输入阻抗后建立的磁电效应理论结果与实验结果更符合.理论结果表明磁电元件在有限输入阻抗 关键词： 磁电效应 有限输入阻抗 压电/磁伸复合 一维磁伸材料     

磁致伸缩/压电层叠复合材料磁电效应分析

采用有限元分析软件COMSOL5.0建立了三维悬臂梁模型,分析了磁致伸缩/压电/磁致伸缩叠层复合材料的磁电系数α_(ME),并就几何参数对复合结构磁电系数的影响进行了优化分析.首先,利用稳态求解器研究了磁电层状复合结构内部的应力、应变、位移以及电势分布情况,利用瞬态求解分析了磁电复合结构各变量动态分布规律;其次,应用小信号频域分析研究了该结构的谐振频率以及在不同偏置磁场对输出电压的影响,结果表明,随着直流偏置磁场的增加,输出电压逐渐减小.改变复合材料不同层的厚度,分析了磁电层与压电层厚度比t_m/t_p对磁电系数的影响,结果表明,随着厚度比增加,α_(ME)逐渐增大,其增加速率逐渐减小;最后,分析了磁电系数α_(ME)随复合结构面积、长宽比的变化情况.分析表明,α_(ME)随磁电复合结构面积的增加逐渐增加,其增加速率逐渐减小;当磁电复合结构面积恒定时,其磁电系数随长宽比L/W增加表现出先增加后减小的趋势,存在最优值.     

基于能量转换原理的磁电层合材料低频磁电响应分析

提出了一种基于能量转换原理的磁致伸缩/压电层合材料低频磁电响应模型,并对不同层合结构的磁电响应特性进行了对比研究.该模型假定层合材料层间能量传递通过层间剪切力来实现,利用应力函数法分析了磁致伸缩层和压电层的应力与应变,求出了磁致伸缩层的应变能和存储磁场能以及压电层的应变能和电场能;利用Hamilton最小能量原理求出了层间剪切力的大小,获得了开路状态下层合材料的低频磁电响应模型.发现磁电电压系数与磁致伸缩材料的磁导率、泊松比、磁机耦合系数以及压电材料的泊松比、机电耦合系数等有关,并对这些参数的影响进行了分析.同时对两层和三层结构的层合材料磁电特性进行了对比研究,发现层合结构不同则获得的磁电系数公式不同,用相应的公式计算得到的误差才会最小.研究结果表明,本文的理论误差小于6.5%,与其他方法相比,本文的理论模型能更好地描述磁电层合材料的低频磁电响应特性.     

偏置电压对磁致伸缩/压电层合换能结构磁电性能影响

分析和测试了偏置电压调整时PZT5/Terfenol-D/PZT8层合换能结构磁电性能. 提出了一种磁致伸缩/压电层合磁电换能结构的一阶谐振频率控制方法. 通过改变压电驱动层的直流电压对磁电层合结构的预应变进行改变, 从而调整谐振频率. 分析偏置电压、 应变、 弹性模量、 谐振频率和谐振磁电电压系数之间关系. 分析表明: 在较小应变情况下, 控制电压几乎可以线性调节谐振频率, 而层合结构谐振磁电电压系数几乎与偏置电压无关. 实验研究验证: 理论与实验结果较好吻合. 在-170 V-+170 V的偏置电压时, 谐振频率可以几乎线性调整. 最大频率调整量达到1 kHz, 偏置电压对一阶纵振频率的控制率达到: 2.94 Hz/V. 在偏置磁场为0-225 Oe时, 谐振频率调整量与偏置磁场无关. 偏置磁场会改变谐振磁电电压系数, 在大于178 Oe静态磁场偏置时, 磁电电压系数最大, 达到1.65 V/Oe.     

高磁导率材料FeCuNbSiB对超磁致伸缩/压电层合材料磁电性能的影响

采用超磁致伸缩材料TbxDy_1-xFe₂(x≈0.3)(Terfenol-D)、压电材料PbZrxTi_1-xO₃(PZT)和高磁导率材料FeCuNbSiB构造了新型的层合结构.由于引入高磁导率材料FeCuNbSiB改变了Terfenol-D的内部磁场分布,并且在磁场作用下,FeCuNbSiB发生形变对Terfenol-D产生应力,增大了Terfeno 关键词： 磁电效应 磁致伸缩材料 压电材料 高磁导率材料     

Optimal magnetoelectric coupling performance of Terfenol-D/PZT composites in resonance state under bias magnetic field

Laminated magnetoelectric (ME) composites with various thickness ratios were optimized, fabricated and experimentally investigated in this work. The Terfenal-D/PZT specimens with optimal thickness ratio between the magnetostrictive phase and piezoelectric phase, and two other values were tested for their ME coupling performance. The coupling voltage output increases linearly with the increase of DC bias magnetic field. The ME voltage coefficient increases more than 100 times in the resonance state for the optimal laminate. The DC bias magnetic field affects the ME voltage coefficient significantly, and also has little effect on the resonant frequency. The strength of AC magnetic field also slightly affects the ME voltage coefficient in resonance state, but does not affect the resonant state under which the same DC magnetic field is required. The experimental results can help understand the coupling performance of ME composite under bias magnetic field and prompt the application of ME devices.     

Frequency response of magnetoelectric effect in piezoelectric-magnetostrictive disk-ring composite structures

A theoretical model is presented for frequency dependence of magnetoelectric (ME) effect in piezoelectric-magnetostrictive disk-ring composite structures. Expressions for ME voltage coefficients in piezoelectric-magnetostrictive (PE-MS) disk-ring and MS-PE disk-ring are obtained by solving elastodynamic equations. The calculated resonance frequency and frequency dependence of ME voltage coefficients are in good agreement with the experimental results. This model indicates better mechanical coupling in disk-ring structure than that in traditional layered structure, and this may be responsible for the enhancing ME effect. The analysis suggests the disk-ring composites structures are promising for magnetoelectric applications.     

Magnetoelectric effect from the direct coupling of the Lorentz force from a brass ring with transverse piezoelectricity in a lead zirconate titanate (PZT) disk

A novel composite of brass ring and PZT disk shows a high dc magnetic field (H_dc) response when using the product effect of the Lorentz force effect from a metal ring in a dc magnetic field applied with ac electrical current, and the piezoelectric effect of piezoelectric material. The output voltage between the two faces of PZT shows a good linear response to the dc magnetic field (<1 kOe) under different ac electrical current inputs (<300 mA). The magnetoelectric coefficient is about ∼33.2 mV/T A. Simultaneously, the magnitude of its magnetoelectric coefficient can be manually controlled by an applied electrical current. This composite has the potential for applications in magnetoelectric transducers and sensors that work without coils even for static magnetic fields. PACS 85.80.Jm; 77.84.-S; 75.80.+q; 77.84.Dy; 77.65.-j     

Resonant amplification of the magnetoelectric effect in ferrite-piezoelectric composites

The magnetoelectric effect in ferrite-piezoelectric composites is considered. A theory of the magnetoelectric effect in the electromechanical-resonance region for disk-shaped samples is presented. The magnetooptical coefficient is calculated for longitudinal and transverse orientations of electric and magnetic fields. It is shown that the effect increases by a few orders of magnitude at the electromechanical-resonance frequency. The frequency dependence of the effect is experimentally studied for a ferrite-nickel spinel-PZT composite. A resonant increase in the effect is observed (in agreement with the theory); the highest value of the magnetoelectric coefficient was 15 V/(cm Oe).