磁電層合材料的磁電雙峰效應(yīng)研究及器件設(shè)計(jì).pdf

1、以巨磁致伸縮材料Terfenol-D與壓電材料PZT等復(fù)合而成的磁電層合結(jié)構(gòu)由于具有強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)近年來成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。低頻狀態(tài)下,當(dāng)外加交變磁場頻率達(dá)到層合結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率時(shí),層合結(jié)構(gòu)處于諧振狀態(tài),磁電耦合效應(yīng)大大加強(qiáng)。由于磁電復(fù)合材料的復(fù)雜非線性磁力電耦合效應(yīng),磁電效應(yīng)隨磁場的變化曲線出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象,尚且沒有完善的理論模型可以解釋。此外,在諧振磁電耦合過程中,存在磁損耗、電損耗、機(jī)械損耗等,尤其是機(jī)械損耗,大大減弱了磁電耦合效應(yīng)的

2、強(qiáng)度。微波頻段下,磁電層合材料主要是用來制備磁電可調(diào)的微波器件,以滿足工作頻段可選的需求。
　　針對上述問題,本文開展了以下工作:
　　首先,針對諧振狀態(tài)下L-T模式Terfenol-D/PZT/Terfenol-D磁電層合結(jié)構(gòu)的機(jī)械損耗隨磁場非線性變化的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,采用一個(gè)能完整描述超磁致伸縮材料中復(fù)雜力磁耦合特點(diǎn)的非線性磁致伸縮本構(gòu)關(guān)系,采用等效電路法,建立起了一個(gè)同時(shí)考慮靜磁場和預(yù)應(yīng)力影響的磁電層合結(jié)構(gòu)的非線性機(jī)械損耗模

3、型。通過該理論模型預(yù)測的有效機(jī)械損耗、諧振/反諧振頻率隨外加磁場變化的結(jié)果都與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果在定量上和定性上均吻合良好,證明本文所建模型具有一定的有效性與可靠性。在此基礎(chǔ)上,通過該模型預(yù)測預(yù)應(yīng)力對機(jī)械損耗的影響,在小于零偏磁場諧振頻率時(shí),選擇小于臨界諧振磁場的偏磁場實(shí)現(xiàn)諧振可以有效降低機(jī)械損耗,在頻率98.9kHz時(shí)機(jī)械損耗減小了62.1％。在大于零偏磁場諧振頻率時(shí),選擇施加預(yù)壓應(yīng)力可以有效降低機(jī)械損耗,在頻率103kHz時(shí)加-18Mpa

4、的壓應(yīng)力機(jī)械損耗減小了51.2%。
　　其次,針對L-T模式磁電層合材料在諧振狀態(tài)下出現(xiàn)雙峰磁電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,在建立了的磁-機(jī)-電諧振等效電路基礎(chǔ)上,根據(jù)歐姆定律,給出綜合考慮預(yù)應(yīng)力、靜磁場、交流磁場頻率、非線性機(jī)械損耗的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)表達(dá)式。通過該理論模型預(yù)測了不同諧振頻率下磁電電場系數(shù)與靜磁場的變化曲線,以及不同靜磁場下磁電電場系數(shù)與諧振頻率的變化曲線,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)在諧振頻率為100~125kHz時(shí)理論預(yù)測結(jié)果與

5、實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果在定量與定性上均吻合良好,證明了該理論模型的有效性與可靠性。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步預(yù)測了預(yù)應(yīng)力對磁電效應(yīng)雙峰現(xiàn)象的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著預(yù)應(yīng)力的增大,磁電系數(shù)中由壓磁系數(shù)控制的第一個(gè)峰與由楊氏模量控制的第二個(gè)峰逐漸合并到一起,磁電效應(yīng)雙峰現(xiàn)象消失,整組磁電效應(yīng)曲線出現(xiàn)“翻轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。特別是,無論是施加壓應(yīng)力還是施加拉應(yīng)力都能提高雙峰磁電效應(yīng)中較小磁場對應(yīng)峰的峰值,其中,拉應(yīng)力的效果更為顯著。
　　最后,針對磁電層合材料在微波頻