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     

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     

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.     

磁电双层膜层间耦合的弹性力学研究

基于磁致伸缩相与压电相的本构方程,应用弹性力学模型,简要介绍了如何推导自由状态的磁电双层膜纵向、横向磁电(ME)电压系数. 并采用相应的材料参数计算了La_07Sr_03MnO₃-Pb(Zr,Ti)O₃ (LSMO-PZT),Tb_1-xDy_xFe_2-y(TDF)-PZT双层膜中的磁电电压系数,具体分析了其与压电相 关键词： 磁电效应 双层膜 TDF LSMO PZT     

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     

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     

纵向极化与磁化叠层复合材料磁电效应理论及计算

基于纵向极化压电材料及纵向磁化磁致伸缩材料的压电和压磁方程与磁电元件运动方程,给出磁电元件开路电压表达式;鉴于压电材料高输出阻抗的特点,考虑测试仪器的有限输入阻抗和传输信号引线电缆电容,通过建立等效电路模型推出了非开路情况下磁电电压计算式,取不同材料参数对磁电电压进行了数值计算.研究表明,材料参数、电路参数对输出电压均产生影响.对磁伸材料两端面受非均匀偏置磁场产生外力的非自由边界磁电效应进行研究发现,恒外力作用使压电元件产生不可检测的稳恒电压. 关键词： 纵向极化 磁电效应 磁电元件 层叠材料     

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     

磁场作用下PMN-PT/CFO的磁电效应研究

在弹性力学模型下,推导非理想耦合状态的磁电(ME)电压系数公式.利用CFO随磁场变化的磁致伸缩特性,得到PMN-PT与CFO复合材料的磁电电压系数随磁场以及各参量的变化关系公式.研究了磁电电压系数在磁场下随磁场强度、压电相体积分数v、界面耦合系数k以及PMN-PT介电常数之间的变化关系.研究结果发现:磁电电压系数随PMN-PT体积分数和磁场强度的增大,表现为先增大,后逐渐减小至零;磁电电压系数强烈地依赖于界面耦合系数,耦合系数减小会极大降低复合材料的磁电效应;同时,磁电效应具有一定的频率特性,随着频率的逐渐增大而增大,直至达到稳定.     

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.     

Numerical simulation of nonlinear magnetic-mechanical-electric coupling effect in laminated magnetoelectric composites

Considering the significant nonlinear magnetoelectric (ME) characteristics in laminated ME composites, we build a numerical model of magnetic-mechanical-electric coupling effect based on the nonlinear magnetostrictive constitutive relation. The change of the ME field coefficients with bias magnetic field predicted by this model shows good agreement with the experimental result, both qualitatively and quantitatively. Furthermore, this paper considers and predicts the magnetoelectric conversion charateristics of laminated ME composites, calculates and analyzes the influence of the thickness ratio of magnetostrictive layer, the geometrical size of laminated composites, the saturation magnetization, and the types of piezoelectric materials on the ME conversion coefficient of ME laminated composites. We believe that this research provides a theoretical basis for the production of magnetoelectric devices with good magnetoelectric conversion characteristics.     

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.     

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     

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.     

Frequency dependence of magnetoelectric interactions in layered structures of ferromagnetic alloys and piezoelectric oxides

Magnetoelectric (ME) interactions in layered structures of magnetostrictive and piezoelectric phases are mediated by mechanical deformation. Here we discuss the frequency dependence of ME coupling in bilayers and trilayers of Permendur, a ferromagnetic alloy, and lead zirconate titanate. Data on ME voltage coefficient versus frequency profiles reveal a giant ME coupling at electromechanical resonance. The maximum voltage coefficient of 90 V/cmOe is three orders of magnitude higher than low-frequency values. The ME interactions for transverse fields are an order of magnitude stronger than for longitudinal fields. These results are in agreement with theory. The resonance ME effect, therefore, is a novel tool for enhancing the magnetic-to-electric field conversion efficiency in the composites. PACS 75.80.+q; 75.50.Gg; 75.60.-d; 77.65.-j; 77.65.Ly; 77.84.Dy