层合磁电器件非线性磁电效应的实验研究

层合磁电器件非线性磁电效应的实验研究

层合磁电器件以其明显的磁电效应被常用于磁电换能器、磁电传感器等。层合磁电器件是通过压电层的压电效应的耦合与压磁层的磁致伸缩效应来完成磁电转化的。简单的说，也就是指磁致伸缩层在外加的磁场中产生应变，这种运动通过胶接层传递给压电层，然后根据压电材料压电效应，在其压电层表面产生出电场，是一种磁——弹——电多场耦合效应。本文从基本的实验开始，对层合磁电器件的非线性磁电效应进行研究，分别分析了直流磁场的大小、频率以及质量块等对磁电系数及磁电电压输出的影响。实验数据表明，对于Tefernol-D/PZT/Ni 的层合磁电器件，在直流磁场中，随着磁场逐渐变大，磁电系数会先变大后变小；随着磁电频率的变大，磁电系数也是先变大后变小；随着质量块的增多，磁电电压的最大值增大，得到最大值时对应磁场频率逐渐变小。

关键词：层合磁电器件；非线性；频率，磁电系数

第一章绪论

由于层合磁电材料良好的磁电特性，基于这些材料研制的磁电器件显示了巨大的性能优势。目前这类材料已被大量应用于磁传感器、内存、磁共振装置、换能器等的设计制造中。

为了探究磁电材料的运行机理，以期制造性能更优的磁电器件，本文将粗略研究层合磁电器件的磁电效应、阐述层合磁电器件的发展、提出针对层合磁电器件的研究方法以及介绍相关应用。

1.1 层合磁电器件的背景与应用

1.1.1 层合磁电器件的发展

目前，人们已经研究制备了种类繁多的磁电材料。根据相的数目可以划分为：磁电单相材料和磁电复合材料。磁电单相材料是指材料中只有一种相结构，包含纯单相物质和单相固体；磁电复合材料指的是材料中包含两种相结构：压电相和压磁相。

1894年，法国物理学家居里[1]在单相晶体材料中发现磁电效应。1970年，Shuitesi[2]用乘积效应，完成了压电与压磁两相材料的磁电效应。在20世纪90年代，G.Harshe[3]等发表了关于层合磁电复合材料的弹性力学模型，使其为层合磁电材料的理论研究指出了一个新方向。在21世纪初，Dong[4]等人制作了Terfernl-D/PZT层合复合材料，J.Ryu[5]的研究小组观查测试到的磁电系数高达4.8V/cm Oe。

1.1.2 层合磁电器件的应用

基于磁电材料的磁电特性，磁电材料在磁传感器、滤波器、振荡器、换能器、移相器等等方面有普遍的应用。比如：

①磁传感器

磁传感器的特性是磁电材料在交变磁场下有电压输出，使用其特性可以将磁电材料使用于磁传感器的制造。Dong[6]等人在利用纵向电极化压电材料放置于纵向磁化的两块磁致伸缩材料的之间，制作成了一种类似于三明治结构的磁电复合材料，这种结构对交变磁场的探测能力较强。根据实验结果得知，其在材料谐振时探测磁场的最小值为10-24T。但是，层合磁电材料的低频电压系数远低于在其谐振时的电压系数，所以叠层材料对低频磁场的探测能力表现的不尽如人意。为了提高其能力，实验者使用压电性能突出的压电单晶（PMNT）和磁致伸缩材料复合，取得了比较好的结果[7]。

②换能器

磁电材料有正磁电效应和逆磁电效应的特性，从而使其可以在磁能、机械能、电能三者之间互相转化。由于这种换能特性，磁电材料在换能器领域得到了广泛应用。卞雷翔等人设计了一种层合磁电结构，这种结构的最大磁电电压输出值为30.07V/Oe，其输出功率密度为0.1W/cm3.Oe。代显智[8]等人利用磁电材料对其振动能进行能量的采集，实验结果得出，其在振动加速度为0.5g，频率在33Hz的情况下，能量采集器获得了112.4μW的功率。

③其它应用

层合磁电材料由于同时具有压磁性质和压电性质，所以在磁性材料和压电材料的领域也得到了相关的应用。因为偏置磁场对层合磁电结构的谐振频率有不可忽视的影响，所以在一些场合为了调试层合磁电材料的共振频率，从而制成了移相器或者滤波器等器件。Toshiyuki[10]等人利用压磁/压电材料制成了微位移传感器[9]与无线圈磁力控制器、。利用压电/压磁/压电结构可以制作电激励电输出变

压器，美国国家宇航局的喷气发动机实验室就将磁电复合材料用于发展航天飞机使用的直流发动机。

1.2 磁电复合材料

1.2.1磁电复合材料

层合磁电复合材料是一种能体现出铁电性和铁磁性的复合材料。由于这种材料具有巨大的应用潜力，所以科研工作者们对这些材料进行了大量的研究。层合磁电复合材料是将压电材料与磁致伸缩材料通过一定的方法复合起来，使其具有机械能——磁能——电能，从而产生出一种新的效应——磁电效应。

在1894年，P.curie在研究自旋轨道有序物质时首先提出了磁电效应这个概念。而磁电（magnetoelectric）这一词实际上最早由荷兰科学家德拜在1926年提出。实际上，磁电效应最早是被Astrov等人实际观测到的。在之后的许多研究中，人们发现了大量的单相磁电材料，例如：Cr3O3、YMnO3等，但是由于其制作成本较高，而且必须在低温的条件下才可以观测到，所以其并没有得到充分的应用。磁致伸缩材料与压电材料的耦合也可以发生高于单相材料的磁电效应，而且其复合方式可以进行材料复合结构的设计，所以近年来大量的研究者以其为焦点进行关注。而目前比较常见的磁电复合材料有：TbDyFe/PZT层合复合材料、Ni/PZT/TbFe层合复合材料等。

1.2.2 磁电复合材料的研究方法

磁电复合材料的研究方法主要分为理论研究和实验研究，其中理论研究中通用的主要有格林函数法[11]，状态空间法[12]，有限元法[13]，等效电路法[14]四种方法。其中由于格林函数的计算方法相当复杂，所以格林函数并不是人们理论研究中常用的方法；状态空间法的特征是在其控制方程中包含了广义应力变量和广义位移，状态空间法的优点是不需要引入任何与位移和应力模式有关的假设，但是这种方法需要加入大量的节点，有可能会遇到“组合爆炸”问题，因此只适用于模拟比较简单的问题；而现在研究层合磁电材料的理论模型中仍然有比如参数等不易确定的因素，所以在指导层合磁电器件的设计应用中，建立一个准确、易解、简洁的有限元模型是很有必要的；而等效电路法是许多方法中最适合分析层合磁电材料的方法，也是现在许多人最常用的理论研究方法。

1.2.3 磁电复合材料的制备方法

层合磁电复合材料的制备方法主要有原位复合法、固相烧结法、聚合物固化法、磁电薄膜、粘合法这五种方法。其中由于原位复合法的制备方程不容易控制，