新型層狀磁電復(fù)合材料的磁電轉(zhuǎn)換性能研究.pdf

1、在移相器、磁場矢量探測器、延遲線和傳感器等器件設(shè)計中，磁致伸縮材料和壓電材料是兩種重要的功能轉(zhuǎn)換材料。層狀磁電復(fù)合材料的磁電效應(yīng)是由磁致伸縮層和壓電層的“乘積效應(yīng)”產(chǎn)生的，在外加磁場的作用下，磁致伸縮層產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)變，通過粘結(jié)層，機(jī)械運動傳遞到壓電層，并由于逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生電場，從而實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換效應(yīng)。層狀磁電復(fù)合材料具有較單相磁電材料和顆粒磁電復(fù)合材料更為優(yōu)越的磁電轉(zhuǎn)換性能，在微傳感器、微驅(qū)動器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本課題研究方向在國

2、際上相對較新，論文著重探討圓筒形層狀磁電復(fù)合材料磁電轉(zhuǎn)換性能及器件設(shè)計。研究內(nèi)容源自重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目(KJ100512)-層狀磁電復(fù)合材料的磁電轉(zhuǎn)換研究和重慶市自然科學(xué)基金(CSTC，2010DD2412)-層狀磁電復(fù)合材料的研究。
　　 本文從三層平板形層狀磁電復(fù)合材料模型出發(fā)，基于材料學(xué)、力學(xué)理論推導(dǎo)出1-3模式下的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)和磁-機(jī)-電等效電路。運用理論求解的結(jié)果，并以新型層狀磁電復(fù)合材料Terfenol-D/

3、PMNT/Terfenol-D為算例，用Matlab數(shù)學(xué)軟件得出新型材料Terfenol-D/PMNT/Terfenol-D的最大磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)αv，max=375.4mV/Oe。新的壓電材料PMNT的引入使得復(fù)合材料的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)大大高于文獻(xiàn)[1]提供的Terfenol-D/PZT/Terfenol-D復(fù)合材料的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)(αv，max=186.5mV/Oe)，必將有助于開發(fā)更高性能的磁電復(fù)合材料器件，有望成為實際應(yīng)用器件的主流材料。

4、接著本文建立了圓筒形層狀磁電復(fù)合材料模型，主要討論軸向磁電性能、垂直方向的磁電性能、以及圓筒形特有的體積磁致伸縮引起的磁電轉(zhuǎn)換性能，由于圓筒形層狀磁電復(fù)合材料垂直方向磁電性能增加了壓電效應(yīng)d33的影響，理論分析推導(dǎo)出圓筒形Terfenol-D/PMNT/Terfenol-D層狀磁電復(fù)合模型磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)要高于平板形結(jié)構(gòu)模型3倍以上。而后本文建立層狀磁電復(fù)合材料的有限元分析方法，并使用電磁場仿真軟件HFSS對圓筒形模型和平板形模型進(jìn)行仿真，

5、得出各層材料的電場、磁場以及電流分布情況。最后本文根據(jù)仿真結(jié)果，用圓筒形層狀磁電復(fù)合材料優(yōu)異的磁電轉(zhuǎn)換性能設(shè)計出換能器，以Terfenol-D/PMNT/Terfenol-D作為參考材料，得出該換能器產(chǎn)生電壓增益效應(yīng)VOUT/VIN=21.26。用該模型設(shè)計出來的換能器可以用于微機(jī)電MEMS系統(tǒng)中提供較高的驅(qū)動能量，為微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展、設(shè)計提供新的思路與方法。
　　 在廣泛查閱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，本文首次采用圓筒形層狀磁電復(fù)合材料設(shè)