磁電復(fù)合材料的制備及其性能研究.pdf

1、目前，人們所研究的磁電復(fù)合材料主要存在以下幾個(gè)問題。第一，界面情況對(duì)層狀磁電復(fù)合材料的磁電效應(yīng)起著至關(guān)重要的影響。但是，目前層狀磁電復(fù)合材料的制備方法如黏結(jié)法和電鍍法等都不可避免的引入中間層，影響了磁致伸縮層和壓電層之間的磁電耦合。第二，在1至150 kHz內(nèi)，彎曲振動(dòng)模式的兩層磁電復(fù)合材料一般具有兩個(gè)諧振頻率，但是其諧振磁電電壓系數(shù)只能一個(gè)大，而另一個(gè)相對(duì)較小。第三，目前所研究的非界面結(jié)合型磁電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)都過于復(fù)雜，不利于制備實(shí)際

2、器件。針對(duì)以上幾個(gè)問題，本文以制備出具有巨磁電效應(yīng)的磁電復(fù)合材料為目標(biāo)，采用化學(xué)鍍法制備出了磁致伸縮相和壓電相直接結(jié)合且兩相達(dá)到足夠厚度的Ni/PZT/Ni層狀磁電復(fù)合材料，消除了中間層的影響，實(shí)現(xiàn)了理想的磁電耦合；采用化學(xué)鍍和黏結(jié)法制備出Ni/PZT/TbFe2負(fù)磁致伸縮/壓電/正磁致伸縮結(jié)構(gòu)的層狀磁電復(fù)合材料，獲得了兩個(gè)明顯的諧振峰；采用黏結(jié)法制備出非界面結(jié)合型磁電復(fù)合雙矩形框結(jié)構(gòu)和兩端結(jié)合型磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，有利于器件制備

3、。
　　 本文首先分析化學(xué)鍍鎳的熱力學(xué)可能性和反應(yīng)機(jī)理，以化學(xué)鍍工藝參數(shù)如鍍液pH值、溫度等為切入點(diǎn)，研究化學(xué)鍍鎳的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)過程及其對(duì)鍍鎳層顯微組織的影響，進(jìn)而研究鍍鎳層組織對(duì)鍍層磁性能和磁致伸縮性能的影響規(guī)律，以三層磁電復(fù)合材料為例研究影響化學(xué)鍍熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)過程的鍍液pH值與溫度等工藝參數(shù)對(duì)磁電復(fù)合材料的磁電性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在合理的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，在PZT表面化學(xué)鍍純Ni是完全可行的；影響化學(xué)鍍熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)

4、過程的工藝參數(shù)如鍍液pH值和溫度等的升高，使得形核率提高、擴(kuò)散加快，有利于細(xì)化鍍層晶粒和提高沉積效率，進(jìn)而改善鍍層的軟磁性能，提高鍍層的磁致伸縮系數(shù)，最終獲得了具有更好的磁電性能的磁電復(fù)合材料。
　　 其次，利用化學(xué)鍍制備了三層和五層平板狀、三層弧形、三層圓環(huán)等結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合材料，研究了尺寸、界面情況、曲率和形狀等結(jié)構(gòu)因素對(duì)層狀磁電復(fù)合材料的磁電性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著長(zhǎng)度或圓環(huán)直徑尺寸的增加，磁電電壓系數(shù)升高而諧振頻率減

5、??；隨著界面粗糙度的增加，化學(xué)鍍制備的磁電復(fù)合材料的磁電電壓系數(shù)逐漸增大；隨著界面的增加，磁電復(fù)合材料的磁電性能減弱；隨著圓弧半徑的增加(曲率的減小)，磁電電壓系數(shù)逐漸增大，而諧振頻率逐漸減??；由于Ni環(huán)的電磁感應(yīng)效應(yīng)與PZT環(huán)的壓電效應(yīng)耦合產(chǎn)生壓感效應(yīng)，在高偏置磁場(chǎng)下，軸向模式的圓環(huán)狀磁電復(fù)合材料的諧振磁電電壓系數(shù)隨著偏置磁場(chǎng)的增加而持續(xù)增大。
　　 第三，本文將負(fù)磁致伸縮材料Ni、正磁致伸縮材料TbFe2和壓電材料PZT制備

6、成負(fù)磁致伸縮/壓電/正磁致伸縮結(jié)構(gòu)三層磁電復(fù)合材料，通過與兩層和三層傳統(tǒng)磁電復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)比分析，研究其磁電性能。結(jié)果表明，Ni/PZT/TbFe2三層磁電復(fù)合材料出現(xiàn)兩個(gè)比較大的諧振峰，TbFe2層增強(qiáng)了一階彎曲諧振峰而Ni層增強(qiáng)了一階平面聲波諧振峰，其工作機(jī)制是一種加強(qiáng)型的彎曲振動(dòng)機(jī)制；隨著Ni層厚度的增加，TbFe2層所控制的一階彎曲諧振峰值變化不大，而Ni層所控制的一階平面聲波諧振峰值逐漸增大；一階彎曲諧振頻率和一階平面聲波諧振

7、頻率也隨Ni層厚度的增加而逐漸增大。
　　 本文還設(shè)計(jì)了非界面結(jié)合型磁電復(fù)合雙矩形框結(jié)構(gòu)和兩端結(jié)合型磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，并研究了其磁電性能。結(jié)果表明，對(duì)于磁電復(fù)合雙矩形框結(jié)構(gòu)，正、負(fù)磁致伸縮相對(duì)其磁電性能影響很大，PZT層的尺寸對(duì)諧振頻率和諧振磁電電壓系數(shù)都有著很大的影響，而TbFe2層的尺寸只對(duì)諧振磁電電壓系數(shù)有著顯著影響，對(duì)諧振頻率的影響不大；對(duì)于兩端結(jié)合型磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，其理想狀態(tài)下的磁電電壓系數(shù)只受體系材料特性和結(jié)構(gòu)尺寸的影響，

8、磁電電壓系數(shù)與頻率的關(guān)系圖中出現(xiàn)多個(gè)諧振峰；受結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，TbFe2/PZT/TbFe2層狀磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)的磁電電壓系數(shù)和諧振頻率都小于PZT/TbFe2/PZT層狀磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)中的值；兩端結(jié)合型PZT/TbFe2/PZT層狀磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)在第三彎曲諧振頻率fr=69.5 kHz時(shí)，αE，31得到最大諧振峰值9.9 V·cm-1·Oe-1，而在第一平面聲波諧振頻率fr=85.5 kHz時(shí)，αE，31得到最大諧振峰值10.5 V·cm-1