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，制备所得的材料性能比较平庸，所以并没有被推广；固相烧结法可以避免磁性单相材料和铁电相产生化学反应，而且工艺简单，成本又比较低，还可以自主地选择铁电相和磁性相材料的种类，也比较容易控制两相材料的晶粒的大小；聚合物固化法能够有效地防止烧结时两种材料的反应，制作也比较简单，但是由于有机聚合物容易老化，且抗耐酸腐蚀性性能不够好，使用时的温度也比较低，而且因为有机聚合物能够降低铁磁相的磁致伸缩效应，进而降低磁电复合材料的性能，所以这种方法用的也比较少；薄膜型磁电复合材料主要利用的是脉冲激光沉积（PLD）、溶胶-凝胶（Sol-Gel）、射频溅射（RFS）和化学溶液凝聚（CSD）等制备薄膜技术设备的层合磁电复合材料，而随着微机电技术的应用与发展，研究薄膜磁电复合材料也逐渐升温；粘合法是一种将磁致伸缩材料与铁电材料通过用固体粘合剂粘合起来的方法，它是由Ryu J等人在2001年提出的一种新的方法，这种方法所制备的层合磁电复合材料不仅结构简单，而且在制备过程中也不用像原位复合法与聚合物固化法那样复杂。

1.2.4 磁电效应的研究现状近年来，学者们采用不同手段和方法，对磁电效应进行了研究。

Tomuta[15]等人在检测六角结构铁电磁YMnO3,LuMnO3,ScMnO3等材料的电磁特性时，发现了它们的介电常数随温度的变化而出现的异常现象，这是因为反铁磁有序地对铁电畴壁作用引起的畴壁运动的结果。

Frohlich[16]小组首次在实验中测得YMnO3中因为非中心对称的电荷铁电序与中心对称的自旋反铁磁有序的共存所引起的新型二次谐波发生（SHG）光学响应。

Wang[17]等采用了磁性磁电本构关系对磁电复合材料进行了研究，并利用了结构形状提高了磁电系数。

Hou[18]]等人对层合磁电复合材料的瞬态响应进行了研究。

在此基础上，Gao[19]等人采用了超磁致伸缩材料的非线性本构对层合磁电复合材料非线性的磁电效应做了研究。

本文鉴于以上的工作，对直流磁场和频率对磁电效应的影响，频率和质量块对磁电电压的影响进行了实验分析，并给出了具体的影响大小。

第二章磁电效应的实验测试2.1 主要实验仪器介绍2.1.1 动静态应变仪主要用于测量材料的机械应变。

2.1.2 直流磁场提供外加的直流偏磁场。

2.1.3 交流磁场为磁电测试提供驱动磁场。

2.1.4 示波器用于采集输出的电信号。

2.2 样品的制备本实验中采用是超磁致伸缩材料Terfenol-D、压电材料PZT和Ni作为试样。

磁电复合材料的制备过程如下：2.2.1 试件的清洗以及打磨用丙酮清洗试件，以便产生比较好的机械耦合。

2.2.2 试件的粘合用导电银胶粘接在一起。

2.2.3 试件的后期处理在室温下（25℃）保持八个小时，使其导电银胶充分固化，电极的焊接（PZT 上下表面焊接电极，并将之与示波器连接）。

2.3 磁电系数的测试磁电系数的测试主要步骤分为以下几个方面：2.3.1 测试打开交直流磁场，改变交直流磁场的大小，记录对应的电压值。

2.3.2 数据处理用origin 等软件进行数据分析并作图。

2.4 实验结果及分析(p p m )DC Magnetic Field (Oe)图1 应变和直流磁场的关系 图1为在交流磁场的有效值为0.44Oe 时，本实验获得的Terfenol-D 和Ni 关于应变和直流磁场的关系。

从图可知， Terfenol-D 和Ni 的应变与直流磁场呈现非线性关系。

从本实验所得的而结果我们可以得知，随着直流磁场的增大，Terfenol-D 应变迅速增加，当直流磁场大于2000Oe 后应变逐渐趋于平缓。

当直流磁场继续增大到4000Oe 时，Terfenol-D 应变趋于饱和，此时实验测得的应变值为1100ppm 。

相对于磁致伸缩性能较大的Terfenol-D ，Ni 的应变曲线较不明显。

通过本文实验我们得到了Ni 的饱和磁致伸缩应变为35ppm. 本实验获得的结果与材料生产厂家所提供的应变数据一致。

M E C o e f f i c i e n t (V /c m O e )DC Magnetic Field (Oe)图2 磁电系数和直流磁场的关系 图2显示了本文实验获得的层合磁电复合材料的非线性磁电系数在直流磁场中变化的特征曲线。

从图2得知，当频率处在共振频率12.6kHz 下时，磁电系数随着直流磁场的逐渐变大，并在700Oe 时达到峰值，此时磁电电压系数为0.77V/cm Oe 。