偏置磁场对超磁致伸缩/压电复合材料磁电效应影响的研究

论文摘要

磁电复合材料因其显著的磁电效应受到越来越多的关注。磁电复合材料可以用于磁电换能器,如磁场传感器等。研究发现磁电复合材料的磁电效应和偏置磁场密切相关。本文应用超磁致伸缩材料的非线性本构模型和层合材料的等效电路相结合的方法,分析了偏置磁场对磁电复合材料谐振磁电效应的影响,并进行了实验验证。本文主要工作如下:对比了超磁致伸缩材料的四种宏观唯象模型,发现Z-L模型能够很好的模拟超磁致伸缩材料的非线性特性。根据Z-L模型推导了超磁致伸缩材料的动态杨氏弹性模量、动态压磁系数和动态磁导率与外加磁场的关系。根据压电方程、压磁方程和动力学方程,运用等效电路法得到了超磁致伸缩/弹性/压电层合材料的等效电路。由于在层合材料的振动过程中,机械损耗是不可忽略的,则应用复参数法引入机械损耗,得到可以应用于层合材料谐振状态的包含损耗的等效电路,进而获得了层合材料的谐振频率方程和谐振磁电电压转换系数。把超磁致伸缩材料动态杨氏弹性模量和动态压磁系数代入谐振频率方程和谐振磁电电压转换系数中,得到谐振磁电效应和偏置磁场的关系。分析表明,偏置磁场通过影响超磁致伸缩材料的动态杨氏弹性模量而改变材料的谐振频率;偏置磁场通过影响超磁致伸缩材料的动态压磁系数和动态杨氏弹性模量而改变谐振磁电电压转换系数。制作了Terfenol-D/铍青铜/PZT-5H实验样片,在不同偏置磁场下进行了实验。通过理论和实验对比分析得到如下结论:①随着偏置磁场的增大,层合材料的谐振频率先逐渐减小后逐渐增大;②随着偏置磁场的增大,层合材料的谐振磁电电压转换系数先逐渐增大后逐渐减小;③存在最佳偏置磁场使层合材料的谐振磁电电压转换系数最大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 1 绪论
• 1.1 磁电效应定义
• 1.2 磁电复合材料研究进展
• 1.2.1 磁电复合材料的发展
• 1.2.2 磁电复合材料分析方法概述
• 1.3 影响磁电复合材料磁电效应的因素
• 1.3.1 成分的物质特性
• 1.3.2 复合过程与方式
• 1.3.3 外部约束的影响
• 1.4 磁电复合材料应用
• 1.5 论文的研究内容
• 2 压电材料和磁致伸缩材料的特性
• 2.1 压电材料
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 压电效应
• 2.1.3 压电材料的损耗
• 2.2 磁致伸缩材料
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 磁致伸缩效应
• 2.2.3 磁致伸缩材料的损耗
• 2.3 小结
• 3 超磁致伸缩材料的非线性特性
• 3.1 引言
• 3.2 多场耦合非线性理想本构模型的建立
• 3.2.1 建立本构模型的方法
• 3.2.2 热力学本构模型的基础
• 3.3 本构模型讨论
• 3.3.1 标准平方模型（SS 模型）和双曲正切模型（HT 模型）
• 3.3.2 基于畴转密度的本构模型（DDS 模型）
• 3.3.3 Z-L 模型
• 3.4 模型对比分析
• 3.5 超磁致伸缩材料的动态参数
• 3.6 小结
• 4 超磁致伸缩/弹性/压电层合材料磁电效应理论分析
• 4.1 引言
• 4.2 层合结构描述
• 4.3 超磁致伸缩/弹性/压电层的等效电路
• 4.3.1 单层板等效电路的推导
• 4.3.2 三层板等效电路的推导
• 4.3.3 层合材料总的等效电路
• 4.4 超磁致伸缩/弹性/压电层的谐振响应
• 4.4.1 层合材料损耗
• 4.4.2 考虑损耗的等效电路
• 4.5 偏置磁场对压电/弹性/超磁致伸缩层磁电效应的影响
• 4.6 小结
• 5 实验研究
• 5.1 实验系统描述
• 5.2 磁场的产生
• 5.2.1 偏置磁场的产生
• 5.2.2 交变激励磁场的产生
• 5.3 理论和实验对比分析
• 5.4 小结
• 6 结论
• 6.1 完成的主要工作
• 6.2 进一步的工作和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录