高μ材料对磁致伸缩/压电层合结构磁电效应的影响研究

论文摘要

目前,磁致伸缩/压电复合材料在换能器、传感器、滤波器、振荡器,移相器、内存等方面具有广泛的应用。人们针对其传感、换能特性进行了研究,主要集中在提高磁电复合材料磁电电压、对磁场灵敏度和减小其最优偏置磁场,实现的方法主要有使用新型磁电材料和设计新磁电复合结构。磁致伸缩材料与压电材料分别能够实现磁-机与机-电转换,它们以一定方式复合而成的材料能够产生磁致伸缩相或压电相都不具备的新性能磁电效应。由于使用磁电材料的激励源是磁场,实现磁机能量转换的是其中的磁致伸缩材料,因此通过改变磁致伸缩材料特性可以影响到整个磁电复合材料的磁电回应特性。研究表明通过影响磁致伸缩相的磁化状态可以改变层合结构的磁电响应。所以,本文采用高磁导率铁基纳米晶合金FeCuNbSiB汇聚磁场作用于压磁相,增强压磁相的磁化,降低了最优偏置磁场,提高了磁电电压系数。论文的具体工作和主要研究结果如下:1)使用ANSOFT工程电磁场有限元分析软件对FeNi、FeCuNbSiB/FeNi在偏置磁场H bias中的磁化进行仿真。采用多普勒测振仪测试磁致伸缩材料动态磁机特性参数,比较了Terfenol-D与FeNi的物理特性参数。2)设计了一种新型的磁电换能器层状复合结构,将高磁导率FeCuNbSiB贴于FeNi基恒弹性合金表面与PZT组成FeCuNbSiB/FeNi/PZT。FeCuNbSiB汇聚施加的磁场,作用于磁致伸缩层端面,从而达到增强磁致伸缩相端面磁化效果。3)结合等效电路法以及对材料磁化状态的仿真和磁荷原理,分析了FeCuNbSiB对FeNi/PZT磁电响应的影响,给出了FeCuNbSiB的最优尺寸使得复合结构的偏置磁场最小。4)针对FeCuNbSiB/FeNi/PZT结构的不足,结合有限元分析软件对器件磁化分析,提出了FeCuNbSiB-FeNi-FeCuNbSiB/PZT结构,并对其进行了分析和实验研究。5)对实验样品FeCuNbSiB/FeNi/PZT复合结构进行制备,进行了实验研究。搭建了材料磁致伸缩系数测试系统和磁电复合材料磁电效应实验系统。对测试结果进行讨论和比较,然后选择合适的材料。对样品的磁电特性进行了测试,将实验测量值与仿真值进行了讨论分析。测试了在不同偏置磁场中不同层合结构的压磁系数和磁电电压系数,结果表明:高磁导率FeCuNbSiB有效地降低了复合材料FeNi/PZT的磁电特性最优偏置磁场,对于FeCuNbSiB/FeNi/PZT结构,最优偏置磁场从200Oe降低到55Oe;同时最大谐振磁电电压转换系数从1.59V/Oe增大到2.77V/Oe;对于FeCuNbSiB-FeNi-FeCuNbSiB/PZT结构,最优偏置磁场下降到7Oe,最大谐振磁电电压转换系数增大到4.74V/Oe。证实了三相复合结构磁电效应的这些变化均来自于高磁导率材料相的加入使复合结构的磁化增强。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 磁电复合材料的研究进展
• 1.1.1 磁电效应
• 1.1.2 磁电复合材料的发展
• 1.1.3 磁致伸缩/压电复合材料的分析方法
• 1.1.4 磁电复合材料的应用
• 1.2 论文的研究内容
• 2 磁致伸缩材料与压电材料
• 2.1 磁致伸缩材料
• 2.1.1 磁致伸缩材料的发展
• 2.1.2 磁致伸缩材料的本构方程
• 2.2 压电材料
• 2.2.1 压电效应
• 2.2.2 压电效应的物理机理
• 2.2.3 压电材料的本构方程
• 2.3 小结
• 3 FeCuNbSiB/FeNi/PZT 复合结构磁电效应
• 3.1 引言
• 3.2 磁介质磁化及退磁因子
• 3.3 磁路设计
• 3.4 FeNi 内部有效磁场
• 3.5 复合结构谐振状态下的磁电响应
• 3.6 小结
• 4 FeCuNbSiB/FeNi/PZT 复合结构实验研究
• 4.1 器材制备
• 4.2 实验设备与测试系统
• 4.2.1 实验设备及其相关参数
• 4.2.2 测试系统
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 实验过程中注意事项
• 4.4 小结
• 5 FeCuNbSiB-FeNi-FeCuNbSiB/PZT 复合结构磁电效应研究
• 5.1 引言
• 5.2 不同结构的磁化分析
• 5.3 实验及结果分析
• 5.3.1 压磁系数
• 5.3.2 磁电谐振响应
• 5.4 小结
• 6 结论
• 6.1 完成的主要工作
• 6.2 进一步的工作与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 主要物理符号表
• B 攻读硕士学位期间发表的论文