采用弹性基底的压磁压电层合结构的磁电响应研究

论文摘要

将超磁致伸缩材料（GMM）、压电材料（PZT-5H）复合于弹性基底上,构造了一种新型的磁电换能器—GMM/弹性基底/PZT层状复合结构。当激励磁场的频率等于或者接近于弹性基底的固有频率时,GMM产生的应力或应变,通过层间胶层的传递,驱动弹性基底振动并发生谐振,粘结于基底上的压电材料的输出电压将达到极大,从而产生了磁电转换。这种GMM/弹性基底/PZT层状复合结构简单,制备容易,而且磁电转换系数大,谐振频率可由弹性基底进行调控,是一种自发电式的敏感结构,可以实现磁能和电能之间的转换,并为满足不同传感器的频带需求提供可能。本文首先采用Hamilton原理推导GMM/弹性基底/PZT层状复合结构的运动方程,结合GMM和PZT的本构方程对层合结构的磁电响应进行理论推导,得到磁电电压转化系数与频率的关系曲线。在推导过程中,考虑了层间胶层的传递作用,建立胶层形变模型,包括其纵向变形和剪切变形,将胶层的特性参数和几何参数纳入对GMM/弹性基底/PZT层状复合结构的磁电响应计算中。并讨论了影响层合结构磁电响应的各主要因素。由于其磁电转化能力与其层间磁机电相互作用紧密相连,因此在层合结构的谐振情况下,磁电电压转化系数最大,比在非谐振下的高1到2个数量级。通过分析层合结构的平均应变,可得到谐振下的平均应变比非谐振下的相应地高1到2个数量级。通过GMM/弹性基底/PZT层合实验样片制备,介绍了层合材料的制备方法及注意事项,构建了磁电效应实验系统,对实验测试原理进行了阐述。用动态测试方法在自行研制的测试装置上对样品的磁电响应进行测试。将实验测量值与数值计算值进行对比讨论,并给出了GMM/弹性基底/PZT层状复合结构在不同弹性基底尺寸下的磁电响应,证实了引入弹性基底,对谐振频率的调控作用。在弹性基底为60mm时,其一阶纵向谐振频率的磁电电压转化系数可高达1.25V/Oe,为GMM/PZT双层结构的2.3倍。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图目录
• 主要物理量符号表
• 1 绪论
• 1.1 磁电材料研究进展
• 1.1.1 磁电效应及其表征参数
• 1.1.2 单相磁电材料
• 1.1.3 磁电复合材料
• 1.1.4 磁电层合材料
• 1.1.5 磁电复合材料的应用
• 1.2 论文的创新之处以及主要研究内容
• 2 超磁致伸缩材料和压电材料
• 2.1 超磁致伸缩材料
• 2.1.1 磁致伸缩效应及Terfenol-D 简介
• 2.1.2 Terfenol-D 的本构方程及其工作特性
• 2.2 压电材料
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 压电陶瓷性能参数
• 2.2.3 压电材料的本构方程
• 2.3 小结
• 3 GMM/弹性基底/PZT 层合结构磁电响应的理论推导
• 3.1 引言
• 3.2 HAMILTON 原理
• 3.3 各层的能量表达
• 3.3.1 GMM 的动能和应变能
• 3.3.2 PZT 的动能和应变能
• 3.3.3 弹性基底的动能和应变能
• 3.3.4 胶层的动能和应变能
• 3.4 运动方程和频率方程
• 3.4.1 运动方程
• 3.4.2 频率方程
• 3.5 谐振与非谐振频率下的位移和应变分布
• 3.6 磁电响应的数值计算
• 3.6.1 PZT 的输出电压
• 3.6.2 磁电电压转化系数与频率的关系
• 3.7 影响GMM/弹性基底/PZT 层合结构磁电响应的主要因素
• 3.7.1 材料特性参数的影响
• 3.7.2 弹性基底尺寸的影响
• 3.7.3 胶层特性参数的影响
• 3.8 小结
• 4 GMM/弹性基底/PZT 层合结构磁电响应的实验研究
• 4.1 GMM/弹性基底/PZT 层合结构的制备
• 4.2 GMM/弹性基底/PZT 层合结构的性能测试系统
• 4.3 测试结果与讨论
• 4.3.1 磁电响应的实验值与理论值的对比分析
• 4.3.2 弹性基底的长度对磁电响应的影响
• 4.4 小结
• 5 结论
• 5.1 完成的主要工作
• 5.2 进一步的工作与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录