论文题目: TbDyFe薄膜的磁致伸缩性能及其与弹性、压电衬底复合效应研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料科学与工程
作者: 万红
导师: 刘希从
关键词: 磁致伸缩效应,磁电效应,薄膜,层状复合,磁控溅射,有限元
文献来源: 国防科学技术大学
发表年度: 2005
论文摘要: 超磁致伸缩薄膜是重要的功能材料,在微传感、微驱动领域具有广阔的应用前景。本论文对TbDyFe超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩效应及其与弹性、压电衬底的复合效应进行了实验与理论研究,为TbDyFe薄膜的应用提供基础。 采用磁控溅射工艺在单晶硅上沉积TbDyFe超磁致伸缩薄膜,系统研究了提高TbDyFe薄膜低场磁致伸缩性能的工艺方法。研究结果表明:制备态及450℃真空热处理后的TbDyFe薄膜为非晶态结构;制备态的TbDyFe薄膜表现出明显的垂直各向异性;由于提高薄膜平行于膜面的饱和磁化强度、降低饱和磁场强度和垂直各向异性常数有利于提高薄膜的低场磁致伸缩性能,因此真空热处理、溅射过程中平行膜面的偏置磁场的加入、衬底材料粗糙度的降低均有利于TbDyFe薄膜低磁场下的磁致伸缩性能的提高;磁控溅射的SmCo、Fe薄膜表现出优于TbDyFe薄膜的平行膜面的磁性能,TbDyFe/SmCo双层复合及TbDyFe/Fe多层交替复合薄膜具有高于TbDyFe薄膜的低场磁致伸缩性能;TbDyFe薄膜与Fe薄膜间产生交换耦合作用,单层薄膜厚度越小,交换耦合作用越强,TbDyFe/Fe多层薄膜的饱和磁场强度越小,低场磁致伸缩性能越高,其中单层厚度为5nm、总层数为80的TbDyFe/Fe多层交替复合薄膜在50kA/m的磁场强度下的磁致伸缩系数达到220×10-6,250℃真空热处理后为315×10-6,平均压磁系数dλ/dH为单层TbDyFe薄膜的10倍;TbDyFe/Fe多层交替复合薄膜在真空热处理过程中,还出现了Fe晶体的有序度下降的反常现象。 磁致伸缩材料与压电材料复合具有磁电转换效应。自行设计并组装了用于测量层状磁电复合材料磁电电压系数的动态实验装置,并对磁控溅射的TbDyFe/PZT和粘接制备的Ni/PZT层状磁电复合材料在周期磁场激励下的诱导电压进行了测试,结果表明:由于三层和双层磁电复合材料样品具有不同的振动振型,在实验测试范围（1—1kHz）内,双层磁电悬臂板产生共振,三层磁电悬臂板不产生共振。磁电复合材料在共振频率处的磁电电压系数达到最大,实验制备的TbDyFe/PZT和Ni/PZT双层悬臂板在共振频率处的最大磁电电压系数分别为14mV/A和4800mV/A。在非共振频率下,磁电三层板的磁电电压系数大于磁电双层板的磁电电压系数。 根据弹性力学原理,对小变形条件下磁致伸缩薄膜与弹性衬底复合后的变形行为及与压电衬底复合后的磁电转换效应进行了理论推导,建立了适用于磁致伸缩薄膜/弹性和磁致伸缩厚膜/弹性双层悬臂板的自由端挠度与磁致伸缩系数的一般关系表达式,以及自由状态和上下夹持的磁电层状复合材料的磁电电压系数理论计算公式。 通过将各向异性磁致伸缩效应类比为各向异性热膨胀效应,建立了磁致伸缩/弹性板和磁致伸缩/压电层合板的有限元计算方法,并采用ANSYS有限元分析软件对试验制备的TbDyFe/Si在外磁场作用下的弯曲变形规律和TbDyFe/PZT及TbDyFe/Ni在外磁场下的磁
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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1．1 磁致伸缩材料的研究进展
1．1．1 磁致伸缩效应及磁弹性效应
1．1．2 磁致伸缩材料及超磁致伸缩材料
1．1．3 超磁致伸缩薄膜
1．1．4 磁致伸缩薄膜/弹性衬底的变形理论
1．2 磁电材料的研究进展
1．2．1 磁电效应及表征参数
1．2．2 磁电材料
1．2．3 磁电复合材料
1．2．4 磁电层状复合材料
1．2．5 磁电复合材料的应用
1．3 论文的选题依据和研究内容
第二章 实验研究与数值计算方法
2．1 实验工艺设备
2．2 实验材料
2．2．1 磁控溅射靶材
2．2．2 衬底材料
2．3 样品的制备
2．3．1 超磁致伸缩薄膜的磁控溅射工艺
2．3．2 溅射工艺中偏置磁场的设计
2．3．3 层状磁电复合材料的制备
2．3．4 薄膜的热处理
2．4 薄膜磁致伸缩系数的测量
2．4．1 薄膜磁致伸缩系数的测定原理
2．4．2 电容位移测试仪的效验
2．4．3 样品自由端挠度与位移测量仪读数关系曲线的确定
2．4．4 弹性模量的修正
2．4．5 磁致伸缩系数曲线的计算
2．5 磁电电压系数的测量
2．5．1 磁电电压系数的测试方法
2．5．2 测试用放大电路的设计
2．5．3 感应电压的测量
2．5．4 测量电压的效验
2．5．5 磁电电压系数的计算
2．6 样品其它性能的测试方法
2．6．1 薄膜厚度的测量
2．6．2 薄膜成分与结构分析
2．6．3 薄膜形貌分析
2．6．4 薄膜磁性能测试
2．7 有限元分析方法
2．7．1 有限元位移法的基本方法和步骤
2．7．2 弹性力学的基本方程
2．7．3 磁致伸缩/弹性复合板的有限元分析方法
2．7．4 磁致伸缩/压电层状复合材料的有限元分析方法
2．8 本章小结
第三章 改善 ThDyFe薄膜磁致伸缩性能的工艺研究
3．1 影响ThDyFe薄膜磁致伸缩性能的因素
3．1．1 磁控溅射 TbDyFe薄膜的成分与结构
3．1．2 磁控溅射 TbDyFe薄膜的磁各向异性
3．1．3 改善 ThDyFe薄膜磁致伸缩性能的方法
3．2 真空热处理对 ThDyFe薄膜磁致伸缩效应的影响
3．3 磁场溅射对 TbDyFe薄膜磁致伸缩性能的影响
3．4 衬底光洁度对 ThDyFe薄膜磁致伸缩性能的影响
3．5 SmCo的复合对 TbDyFe薄膜磁致伸缩性能的影响
3．5．1 SmCo薄膜的磁性能
3．5．2 TbDyFe/SmCo复合薄膜的性能
3．6 ThDyFe与 Fe薄膜交互作用对磁致伸缩性能的影响
3．6．1 磁控溅射 Fe薄膜的性能
3．6．2 ThDyFe/Fe多层膜的结构与磁性能
3．6．3 ThDyFe/Fe多层膜的磁致伸缩性能
3．7 几种工艺下 ThDyFe薄膜的磁致伸缩性能
3．8 本章小节
第四章 ThDyFe薄膜与弹性衬底复合后的弯曲变形行为
4．1 磁致伸缩/弹性双层板弯曲变形分析的理论基础
4．1．1 弹性薄板弯曲基本假设及几何方程
4．1．2 最小势能原理
4．1．3 磁致伸缩双层板弯曲变形的理论研究方法
4．2 磁致伸缩双层悬臂板自由端挠度表达式的理论推导
4．2．1 磁致伸缩/弹性双层悬臂板几何模型
4．2．2 磁致伸缩双层悬臂板的几何方程
4．2．3 磁致伸缩双层悬臂板的能量表达式
4．2．4 磁致伸缩双层悬臂板自由端挠度与磁致伸缩系数的关系
4．3 磁致伸缩双层悬臂板自由端挠度计算公式讨论
4．3．1 磁致伸缩效应对自由端挠度的影响
4．3．2 公式的适用性
4．3．3 理论计算公式与实验测试磁致伸缩系数的关系
4．4 ThDyFe/Si双层悬臂板弯曲变形的有限元分析及与实验对比
4．4．1 ThDyFe薄膜厚度对 ThDyFe/Si自由端挠度值的影响
4．4．2 有限元计算结果与实验测试结果的对比
4．4．3 ThDyFe薄膜的磁致伸缩系数对 TbDyFe/Si自由端挠度的影响
4．4．4 薄膜与衬底的厚度比和弹性模量比对 TbDyFe/Si自由端挠度的影响
4．4．5 长宽比对TbDyFe/Si自由端挠度的影响
4．5 本章小节
第五章 TbDyFe薄膜与 PZT压电陶瓷衬底复合的磁电效应研究
5．1 磁控溅射 ThDyFe/PZT层状复合材料磁电效应的实验研究
5．2 TbDyFe/PZT层状复合材料磁电效应的有限元分析
5．2．1 ThDyFe/PZT磁电效应的有限元计算及与实验结果对比
5．2．2 ThDyFe薄膜的磁致伸缩性能对 ThDyFe/PZT磁电电压系数的影响
5．2．3 ThDyFe薄膜厚度变化对 ThDyFe/PZT磁电电压系数的影响
5．2．4 外磁场方向对 ThDyFe/PZT磁电电压系数的影响
5．3 粘接法制备的Ni/PZT层状复合材料的磁电效应
5．3．1 Ni/PZT层状复合材料板的磁电效应实验曲线
5．3．2 Ni/PZT磁电效应的有限元分析及与实验结果对比
5．4 ThDyFe/PZT与Ni/PZT磁电转化效应的对比
5．5 本章小节
第六章 层状磁电复合材料磁电转换效应的理论研究
6．1 层状磁电复合材料的力学模型
6．2 层状磁电复合材料磁电电压系数α_((E)31)的理论推导
6．2．1 自由状态下对称层状磁电复合材料的磁电电压系数α_((E)31)
6．2．2 上下夹持的层状磁电复合材料的磁电电压系数α_((E)31)
6．2．3 双层磁电悬臂板磁电电压系数α_((E)31)理论推导
6．3 磁电层状复合材料的理论对比分析
6．3．1 与等效电路模型对比
6．3．2 理论计算值与实验测试值对比
6．4 层状磁电复合材料磁电转换效应的影响因素
6．4．1 组元材料性能常数的影响
6．4．2 层合厚度比对磁电电压系数的影响
6．4．3 界面耦合参数k和磁致伸缩相体积分数v对磁电电压系数的影响
6．4．4 外磁场方向对磁电电压系数的影响
6．4．5 力学约束条件对磁电电压系数的影响
6．5 本章小结
第七章 结论
致谢
参考文献表
攻读博士学位期间发表的学术论文
发布时间: 2005-11-07
参考文献
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