引入界面耦合系数的长片型磁电层状复合材料的等效电路模型

针对长片型磁电层状复合材料,提出了一种适用于准静态和动态磁场激励的引入界面耦合系数的等效电路模型,旨在为基于长片型磁电层状复合材料的传感器、换能器等器件的设计、制作和应用提供理论指导.考虑到磁电层状复合材料实际工作过程中磁致伸缩层和压电层的应变并不相同,首先利用运动方程分别对磁致伸缩层和压电层进行建模,提出了一个从物理上反映相间应变传递的界面耦合系数表达式,然后利用一个变比恰为界面耦合系数的理想变压器将两层材料的等效电路耦合,构成改进的磁电层状复合材料的等效电路模型,得到包含界面耦合系数的磁电电压系数和最佳层合比的表达式.对12个具有不同尺寸和负载条件的样品进行实验,制作过程中承受500g砝码负载的样品的界面耦合系数为0.15,最佳层合比为0.57;承受100g砝码负载的样品的界面耦合系数为0.10,最佳层合比为0.50.磁电电压系数和最佳层合比的实验值与各自包含界面耦合系数的理论值基本符合,证明了改进的等效电路模型的合理性和正确性.     

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     

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.     

铁电/铁磁三相颗粒复合材料的磁电性能计算

采用格林函数方法给出了三相复合材料的磁电系数的解析式，对稀土-铁合金/压电陶瓷/高分子（Terfenol-D/PZT/PVDF）三相颗粒复合材料的磁电系数进行了计算.计算结果给出了复合材料的磁电性能与材料显微结构的关系，包括三相颗粒复合材料的磁电性能随组分、颗粒的长径比、PZT颗粒的电极化方向以及外磁场的变化趋势，可为实验设计提供参考和指导.通过合理设计，三相磁电复合材料的性能可以达到数百mV/A.作为一种新的磁电复合材料，三相颗粒复合材料有望成为一种新型高性能易制备的磁电材料. 关键词： 磁电效应 复合材料 格林函数     

磁电复合材料的制备和理论分析

压磁-压电复合材料是一种新型的多功能材料,兼具压电性和压磁性,磁电耦合效应远高于单相材料。本文介绍了磁电复合材料的制备方法和理论问题,涉及了磁电复合材料中的缺陷影响,提出了今后的发展方向。     

铁电/铁磁1-3型结构复合材料磁电性能分析

磁致伸缩和压电复合材料通过机械力作用可获得较大的磁电效应，由Terfenol-D粉末与树脂黏接剂构成压磁相，和压电陶瓷PZT黏结在一起，形成1-3型柱状阵列结构，可获得很大的磁电转换系数.采用有限元方法，对此结构的复合材料进行静态分析.复合材料的介电常数和磁电系数的计算结果和实验数值一致，得到样品中应力、应变和电极化分布情况及其关系，并给出进一步提高磁电转换系数的途径，该种复合方式有望成为一种新型高性能的磁电结构. 关键词： 复合材料 磁电效应 有限元     

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     

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Tb1-xDyxFe2-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445 mV·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.     

准2-2型磁电多层复合材料的磁电性能

用带底座的Pb（Zr,Ti）O₃薄片阵列作为压电相,Terfenol-D粉末与树脂的混合物作为磁致伸缩相,灌注复合得到准2-2型磁电多层三相复合材料.研究了这种准2-2型多层结构在不同偏置磁场和不同角度下的磁电效应.其面内相互垂直的两个方向磁电电压系数分别在0.15和0.225 T磁场下达到峰值,低频下分别为1.62×10⁵ V·m^-1T^-1和1.75×10⁵ V·m^-1T^-1;而在垂直于面内方向,低频下磁电系数仅有1.3×10⁴ V·m^-1T^-1,体现出显著的磁电各向异性.这种准2-2型磁电多层复合材料具有较好的交流磁场灵敏度,在谐振频率下可以探测到10^-9 T的交流磁场的变化.进行合适的设计和排列,可以探测空间磁场的大小和方向,有望应用于磁场传感器等领域. 关键词： 磁电效应 多铁性 多层复合材料     

Terfenol-D/PZT磁电复合材料的磁电相位移动研究

采用粘合法制备了叠层结构的块体Terfenol-D/PZT磁电复合材料,测量了不同频率下的磁电回线,采用新的极坐标下的方式做图.从极坐标下的磁电回线中可以看出,随直流磁场的变化,非谐振频率下的磁电相位发生了轻微移动,移动幅度随频率的增加而增加;而在谐振频率下,伴随着巨磁电效应,磁电相位发生了显著移动,移动幅度达到了近90°.与粉末Terfenol-D/环氧树脂/PZT磁电复合材料对比之后表明,非谐振频率下块体Terfenol-D/PZT的磁电相位移动主要由涡流引起;而谐振频率下大幅度相位移动则主要来源于Terfenol-D的磁致弹性变化.     

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.     

FeCuNbSiB对FeNi/PZT复合结构磁电效应的影响

构造了FeCuNbSiB/FeNi/PZT磁电复合结构并与FeNi/PZT复合结构进行了对比研究.分析了高磁导率材料FeCuNbSiB对FeNi磁场的影响机理,研究了FeCuNbSiB/FeNi/PZT三相复合结构的磁电效应.实验表明,在FeNi/PZT两相层合结构中黏接FeCuNbSiB层后:1)最优偏置磁场从200 Oe降低到55 Oe,最大谐振磁电电压系数从1.59 V/Oe增大到2.77 V/Oe;2)在低偏置磁场中,层合结构磁电电压转换系数提高了1.7—7.8倍;3)层合结构的磁电电压对静态磁场 关键词： 层合结构 最优偏置磁场 高磁导率 磁电电压转换系数     

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.     

Tunable characteristics of bending resonance frequency in magnetoelectric laminated composites

As the magnetoelectric (ME) effect in piezoelectric/magnetostrictive laminated composites is mediated by mechanical deformation, the ME effect is significantly enhanced in the vicinity of resonance frequency. The bending resonance frequency (fr) of bilayered Terfenol-D/PZT (MP) laminated composites is studied, and our analysis predicts that (i) the bending resonance frequency of an MP laminated composite can be tuned by an applied dc magnetic bias (Hdc) due to the E effect; (ii) the bending resonance frequency of the MP laminated composite can be controlled by incorporating FeCuNbSiB layers with different thicknesses. The experimental results show that with H dc increasing from 0 Oe (1 Oe=79.5775 A/m) to 700 Oe, the bending resonance frequency can be shifted in a range of 32.68 kHz≤fr≤33.96 kHz. In addition, with the thickness of the FeCuNbSiB layer increasing from 0 μm to 90 μm, the bending resonance frequency of the MP laminated composite gradually increases from 33.66 kHz to 39.18 kHz. This study offers a method of adjusting the strength of dc magnetic bias or the thicknesses of the FeCuNbSiB layer to tune the bending resonance frequency for ME composite, which plays a guiding role in the ME composite design for real applications.     

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     

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     

采用磁电换能器的振动能量采集器

采用磁致伸缩/压电层合磁电换能器设计了一个振动能量采集器,该能量采集器采用悬臂梁作为振动敏感机构,并用四个NdFeB磁铁组成磁路放在悬臂梁末端.该磁路在空气隙中产生梯度较大的非均匀磁场,使得磁电换能器在较小的振动下感应到较大的磁场变化量,输出较高的功率.利用等效磁荷理论,分析了空气隙磁场分布以及振动时磁路受到的磁力,并用林斯泰特-庞加莱法研究了能量采集器的非线性振动特性,同时将能量采集器的振动方程和换能器的磁电特性结合,分析了能量采集器谐振时的机-磁-电转换特性.通过实验表明：理论与实验符合得较好,且在加 关键词： 振动能量采集 磁致伸缩/压电层合材料 机磁电转换 非线性振动     

Electric‐field tuning of magnetoelectric properties in Metglas/piezofiber composites

The tunability of magnetoelectric (ME) properties by applied dc electric field (E) was systematically investigated for a laminate composite consisting of Metglas, Pb(Zr_x Ti_1–x)O₃ fiber, and interdigitated electrodes. The ME coefficients and equivalent magnetic noise were found to be dependent on E. This dependence is attributed to variations in the magnetic properties. The dielectric properties and noise charge density were relatively invariant to E. A 1.3× improvement in the ME coefficient was obtained at the Villari point under E = 300 V/mm relative to E = 0 V/mm. (© 2012 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)