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     

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     

采用阶梯形弹性基底的磁致伸缩/压电复合结构磁电响应研究

利用阶梯形变幅杆的应变放大作用,构造了磁致伸缩/阶梯形弹性基底/压电复合结构. 采用等效电路法分析了沿长度方向振动复合结构的一阶磁电响应. 计算了Terfenol-D/阶梯形铍青铜基底/PZT-5H复合结构的磁电响应,并与实际结构的磁电响应进行了比较,由于理论分析中忽略了胶层产生的损耗,理论值和实验结果的变化规律相似,但是谐振频率点和磁电电压转换系数有一定的差异. 同时比较了阶梯形基底和等截面杆基底复合结构,分析表明前者具有更高的磁电电压转换系数. 研究了阶梯形弹性基底长度比及层厚比对复合结构纵振动一阶模 关键词： 磁电效应 磁致伸缩/压电复合结构 磁电响应     

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.     

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     

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     

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     

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.     

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     

Self-biased magnetoelectric responses in magnetostrictive/piezoelectric composites with different high-permeability alloys

We comparatively investigate the influence of various high-permeability alloys on the hysteretic and remanent res- onant magnetoelectric （ME） response in a composite of magnetostrictive nickel （Ni） and piezoelectric Pb（Zrl_x, Tix）O3 （PZT）. In order to implement this comparative research, Co-based amorphous alloy （CoSiB）, Fe-based nanocrystalline alloy （FeCuNbSiB） and Fe-based amorphous alloy （FeSiB） are used according to different magnetostriction （2s） and saturation magnetization （μtoMs） characteristics. The bending and longitudinal resonant ME voltage coefficients （αME,b and αME,1） are observed comparatively for CoSiB/Ni/PZT, FeCuNbSiB/Ni/PZT, and FeSiB/Ni/PZT composites. The experimental data indicate that the FeSiB/Ni/PZT composite has the largest remanent self-biased aME,b and aME,1 due to the largest magnetic grading of λs and μ0Ms in the FeSiB/Ni layer. When the number of FeSiB foils is four, the maximum remanent aME,b and aME,I at zero bias magnetic field are 57.8 V/cm·Oe and 107.6 V/cm·Oe, respectively. It is recommended that the high-permeability alloy is supposed to have larger λs and μ0Ms for obtaining a larger remanent self-biased ME responses in ME composite with high-permeability alloy.     

Influence of the stress on magnetoelectric effect in magnetostrictive-PZT bilayers

In this letter, we investigate the influence of the stress on magnetoelectric (ME) effect in a magnetostrictive-PZT bilayer. ME voltage coefficient α*_E = δE / δH, where δE is the induced electric field for an applied alternating current (ac) magnetic field δH, is obtained by solving the stress-related piezoelectric constitutive equation and the conventional magnetostrictive equation with appropriate boundary condition. Based on the free-energy density function of the PZT film in stress state, we get the stress-related piezoelectric charge coefficient ^p d*₃₁ and dielectric permittivity ^pε*₃₃. After taking the cobalt ferrite (CFO) as magnetostrictive phase, it is found that α*_E increases with decreasing 2-d compressive stress for CFO-PZT, which not only is qualitatively consistent with previous experimental measurements, but also provides a possible route to improve the ME effect.