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.     

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     

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     

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     

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     

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.     

对称磁电层合板磁电转换效应理论研究

磁致伸缩和压电层合材料通过磁致伸缩和压电效应的乘积可以获得大的磁电效应.通过材料的力学本构方程，建立了对称磁电层合板磁电耦合的静态力学模型；采用ANSYS 80多物理场有限元分析软件，对层合结构的磁电转化效应进行了数值计算，并与理论计算值进行了对比.研究结果表明：磁致伸缩/压电的厚度比增加使磁电电压系数增大；所推导的磁电电压系数公式的计算值与等效电路模型推导的公式计算值符合很好；有限元数值计算结果介于两种模型的计算结果之间. 关键词： 磁电效应 层合板 本构方程 有限元分析     

Co/Co3O4/PZT多铁复合薄膜的交换偏置效应及其磁电耦合特性

本文采用溶胶-凝胶工艺并结合脉冲激光沉积技术, 在Pt/Ti/SiO₂/Si衬底上制备了Co/Co₃O₄/PZT多铁复合薄膜. 对复合薄膜的微结构和组分进行了表征, 并系统研究了复合薄膜中的交换偏置效应及其对磁电耦合作用的影响. 研究结果表明, 复合薄膜在77 K具有明显的交换偏置效应, 交换偏置场达到80 Oe, 且交换偏置场及矫顽场均随温度降低而增大. 当温度降低到10 K时, 交换偏置场增至160 Oe. X射线光电子能谱(XPS)测试结果证实在Co和Co₃O₄界面处存在约5 nm厚的CoO层, 表明77 K下的交换偏置效应源自反铁磁的CoO层对Co的钉扎作用. 观察到复合薄膜的电容-温度曲线随着外加磁场大小和方向的改变而呈现出规律性的变化, 表明复合薄膜存在磁电耦合效应. 进一步研究发现, 在低温下复合薄膜呈现出各向异性的磁电容效应, 与磁场大小和方向密切相关. 复合薄膜的这种磁电耦合特性主要与复合体系的交换偏置效应及基于界面应力传递的磁电耦合作用有关, 本文对其中的物理机理进行了详细讨论与分析.     

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     

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.     

基于Metglas/PFC磁电层状复合材料的电能无线传输系统

本文完整推导了无直流偏磁条件下, 磁致伸缩材料和压电材料黏接而得的磁电层状复合材料输出电压、电流、磁电系数表达式, 制备了多个样品并实现了电能无线传输系统. 对样品的测试结果验证了理论分析的正确性. 进一步试验结果表明: 磁电层状复合材料的输出具有倍频特性, 材料长度与谐振频率成反比, 谐振状态下样品可在20 Oe的磁场中输出接近100 V (有效值)开路电压, 样品最大传输功率为520 mW (此为该传输方式下公开报道的最大功率), 功率密度为1.21 W/cm³, 样品最大传输效率达35%, 30°以内的偏转角度对材料的输出无显著影响. 试验结果表明, 基于Metglas/PFC磁电层状复合材料是小体积、 小功率、 对传输效率不甚敏感的电能无线传输应用的一种非常有前景的实现方式. 关键词： 磁电复合材料 无线能量传输     

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.     

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.     

伸缩-剪切模式自偏置铌酸锂基复合材料的磁电性能和高频谐振响应

选用多种切型铌酸锂(LiNbO_3)单晶,研究了铁基非晶合金(Metglas)/LiNbO_3叠层复合材料基于伸缩-剪切模式的磁电耦合性能,揭示了铌酸锂单晶压电系数与复合材料剪切磁电耦合系数的对应关系,在使用铌酸锂xzt/30~?切型时得到了最优化剪切磁电系数.通过SrFe12O19薄磁带提供偏置磁场,Metglas/LiNbO_3磁电复合材料可在没有外加直流磁场时实现剪切磁电响应,并在0.991 MHz和3.51 MHz频率时分别测出了谐振磁电系数,有望将铌酸锂基剪切磁电复合材料用于高频磁场探测.     

旋磁铁氧体在实现低频电磁波吸收中的作用

本文研究了旋磁铁氧体材料在不同条件下(磁化状态,大块材料和离散的阵列形式)对低频电磁波的吸收性能以及铁氧体基元间的耦合作用对吸收带宽的影响.研究结果表明,通过旋磁铁氧体在吸波材料中的结构设计可以实现对低频电磁波的高效吸收.文中4 mm大块薄层旋磁铁氧体反射率的–10 d B频点能低至0.48 GHz,并可以通过调整偏置磁场的大小或者离散铁氧体基元的大小灵活地改变共振频率.引入不同尺寸的基元形成的多谐振峰及其相互的耦合可以有效拓展–10 d B带宽,并且这种展宽作用在不同的磁化状态下都是有效的.当采用横向偏置场700 Oe时,两基元吸波材料–10 d B带宽可达单个基元各自作用带宽之和的105.7%.     

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     

厚度剪切模式铌酸锂基复合材料的磁电性能优化

通过弹性力学方法计算了基于厚度剪切模式的铌酸锂(LiNbO_3)基磁电复合材料磁电系数与铌酸锂晶体切型、磁致伸缩材料种类、材料尺寸的关系,并讨论了两种不同复合结构边界条件对剪切磁电性能的影响.计算结果表明:(xzt)30°切型铌酸锂单晶具有最大剪切压电系数dp15,制作成的复合材料具有最大剪切磁电系数αE15;通过两相尺寸优化,伸缩-剪切模式Terfenol-D/LiNbO_3复合材料最大剪切磁电系数为24.13 V/(cm·Oe),剪切-剪切模式Metglas/LiNbO_3复合材料最大剪切磁电系数为11.46V/(cm·Oe).实验结果与理论计算规律相符,研究结果为剪切磁电复合结构的设计、剪切模式铌酸锂切型的选择优化提供了指导,有望利用高机械品质因数Q_m值的铌酸锂单晶设计高频谐振磁场探测器.     

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.     

多层膜巨磁电阻特性及电流最佳测量

测量了不同方向外磁场和温度下多层膜巨磁电阻的磁阻特性,给出了巨磁电阻模拟传感器用于电流测量的最佳磁偏置.结果表明:外磁场强度相同但方向不同,对巨磁电阻的作用效果不同,巨磁电阻饱和时,阻值与外磁场方向无关.温度不同,巨磁电阻的阻值不同,磁电阻变化率也有改变.     

基于磁电耦合效应的基本电路元件和非易失性存储器

磁电耦合效应是指磁场控制电极化或者电场控制磁性的物理现象,它们为开发新型电子器件提供了额外的物理状态自由度,具有巨大的应用潜力.磁电耦合系数作为磁电耦合材料的重要参量,体现了材料磁化和电极化的耦合性能,其随外加物理场的变化可以表现出非线性回滞行为,具备作为非易失存储的物理状态特征.本文讨论了基于磁电耦合效应如何建立起电荷-磁通之间的直接关联,继而实现了第四种基本电路元件并构建了完整的电路元件关系图.在此基础上,研究了多铁性异质结中的非线性磁电耦合效应,并利用其独特的电荷-磁通关联特性,开发了基于磁电耦合系数的电写-磁读型非易失性信息存储、逻辑计算与类神经突触记忆等一系列新型信息功能器件.