论文摘要
将超磁致伸缩材料（GMM）、压电材料（PZT）复合于高机械品质因数的弹性变幅杆基板上构建了GMM/弹性变幅杆基底/PZT复合结构。其磁电效应是磁-机-电多场耦合的结果:在交变磁场作用下,磁致伸缩层驱动弹性变幅杆基底振动;当磁场的频率等于或者接近于弹性变幅杆基底的固有频率时,复合结构发生谐振,磁致伸缩层产生的应变在变幅杆基底应变最大处得到有效放大而使粘结于变幅杆基底应变最大处的压电材料的输出电压达到极大。这种复合材料结构简单,制备容易,而且磁电电压转换系数大,可以高效地实现磁能和电能之间的转换。分析了变幅杆的应变放大机理,选择具有最佳应变放大作用的阶梯形弹性变幅杆作为基底。根据GMM/阶梯形弹性基底/PZT的结构特点,将其分为四部分:磁致伸缩层与阶梯形基底等长复合部分、压电层与阶梯形基底等长复合部分以及阶梯形基底剩余的两部分。运用等效电路法推导了各部分的等效电路模型;根据分界面处位移连续、力平衡条件,将各部分的等效电路有机耦合,得到整个复合材料的等效电路模型。利用复参数法将复合结构工作时的主要损耗（机械损耗、介电损耗）引入到等效电路模型中,涡流损耗由于强偏置磁场的作用而忽略不计,得到了考虑损耗后的复合结构磁电电压转换系数计算公式;同时也给出了磁电电压转换系数分别与材料物理参数和几何参数之间的关系。运用上述理论分析得到的公式计算了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。研究了影响磁电电压转换系数的主要因素,包括各组元材料性能、长度、层厚比及基底面积系数,得到了复合结构的最优几何尺寸,从而为复合结构器件的设计与优化提供了理论依据。