多重铁性复合材料的磁电性能研究

论文摘要

铁电/铁磁复合材料是一种新型的功能材料,不仅集合了铁电性和铁磁性的优点,而且具有磁电耦合效应,因此具有十分广泛的应用前景。本文采用细观力学方法研究了多重铁性材料的磁电效应,通过推广细观力学几种常用的模型,从微观结构组成分析了其宏观行为。主要考虑了存在基体二相复合材料、存在基体三相复合材料和磁电多晶材料,可为实验提供一定的指导作用。采用平均场Mori-Tanaka模型计算了存在基体的二相复合材料的有效磁电弹性模量,讨论了基体的电极化方向与掺杂相磁化方向平行与垂直的情况下,得出了掺杂相颗粒的形状变化对二相复合材料的磁电系数影响非常强烈。推广了平均场Mori-Tanaka模型计算了存在基体的三相复合材料的有效磁电弹性模量,给出了稀土-铁合金/压电陶瓷/聚偏氟乙烯（Terfenol-D/PZT/PVDF）三相复合材料的磁电系数变化趋势,在PZT的电极化方向与Terfenol-D的磁化方向平行情况下,考虑了复合材料中Terfenol-D体积分数与PZT颗粒形状对磁电系数的影响,同时还讨论了PZT的电极化方向与Terfenol-D的磁化方向反平行时复合材料中的Terfenol-D体积分数对磁电系数的影响,给出了掺杂相最优的颗粒形状和体积分数,使得复合材料磁电耦合最强,得出了薄片型的颗粒能使材料横向耦合最强,纤维型的颗粒能使材料纵向耦合最强。推广了自洽模型,使它应用到垂直电磁场下退火的磁电多晶材料,考虑宏观磁电多晶材料Cr2O3的磁电系数随温度、多晶颗粒的取向分布、多晶颗粒的形状系数的变化关系。经过一个系统的研究,发现对角线上的有效磁电系数不存在,非对角线上有效磁电系数出现,并且自洽模型的计算结果值高于简单近似模型,比简单近似模型更好的与观测的实验数据相吻合。而且多晶颗粒随机分布时有效磁电系数最优值是a12,并且合适的织构系数能引起非零的a13,当织构系数约为0.5时,有效磁电系数a13达到最大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 铁磁材料
• 1.1.1 磁致伸缩效应
• 1.1.2 铁磁材料的研究历史和发展
• 2O₄和CoFe₂O₄磁致伸缩材料特性'>1.1.3 NiFe₂O₄和CoFe₂O₄磁致伸缩材料特性
• 1.1.4 超磁致伸缩材料发展与应用
• 1.1.5 我国超磁致伸缩材料的研制和应用
• 1.2 压电材料
• 1.2.1 压电效应
• 1.2.2 压电材料种类及应用
• 1.2.3 锆钛酸铅（PZT）特性
• 1.3 多重铁性磁电材料
• 1.3.1 磁电效应及产生机理
• 1.3.2 具有磁电效应的单相化合物
• 1.3.3 铁磁/压电复合材料的研究情况
• 1.3.4 磁电效应的应用
• 1.4 本文的选题依据和研究的主要内容
• 1.4.1 本文研究背景和选题依据
• 1.4.2 本文研究的主要内容
• 第2章 磁电弹性理论
• 2.1 磁电弹性理论
• 2.1.1 存在基体的多重铁性复合材料
• 2.1.2 多晶磁电材料
• 2.2 细观力学模型
• 2.2.1 Voigt和Reuss模型
• 2.2.2 Dilute模型
• 2.2.3 Mori-Tanaka平均场模型
• 2.2.4 自洽模型
• 2.3 小结
• 第3章 二相磁电复合材料的磁电弹性模量预测
• 3.1 Mori-Tanaka平均场模型
• 3.2 计算步骤
• 3.3 结果与分析
• 3.4 小结
• 第4章 三相多重铁性复合材料的有效磁电弹性模量预测
• 4.1 Mori-Tanaka平均场模型
• 4.2 计算思路
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 Terfenol-D的体积分数对磁电系数的影响
• 4.3.2 PZT的形状系数对磁电系数的影响
• 4.4 小结
• 第5章 垂直电磁场下退火后多晶材料的有效磁电性能
• 5.1 理论推导
• 5.2 自洽模型
• 5.3 结论与分析
• 5.4 小结
• 总结与展望
• 总结
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A