磁電層合材料器件中預(yù)應(yīng)力控制下的磁-力-電耦合效應(yīng)研究.pdf

1、磁電效應(yīng)(ME)是指材料中由外加磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)或由外加電場(chǎng)感生磁場(chǎng),前者稱為正磁電效應(yīng)(DME),后者稱逆磁電效應(yīng)(CME)。磁電材料由于具有磁電效應(yīng)而受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注,利用磁電材料制作的傳感器、執(zhí)行器、濾波器、移相器、諧振器等多種器件在現(xiàn)代電子器件小型化、多功能化發(fā)展的今天有著廣闊的應(yīng)用前景。與顆粒磁電材料相比,磁致伸縮材料和壓電材料組成的層合磁電材料具有更大的磁電效應(yīng),結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,在一些磁電器件中更具實(shí)用價(jià)值。研究其磁電耦合,尤

2、其是預(yù)應(yīng)力控制下的磁電耦合效應(yīng)能為設(shè)計(jì)基于磁電層合材料的高精度、小型化器件提供理論依據(jù)。
　　本文首先采用一個(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,建立起了低頻下超磁致伸縮材料動(dòng)態(tài)材料常數(shù)(如,楊氏模量、壓磁系數(shù)及磁導(dǎo)率等)的顯式表述。利用該顯式模型可以有效預(yù)測(cè)出超磁致伸縮材料不同預(yù)應(yīng)力和偏磁場(chǎng)水平下的材料常數(shù)的變化特征,尤其是可以很好的描述 E?效應(yīng)。之后,將該模型預(yù)測(cè)的隨外磁場(chǎng)與預(yù)應(yīng)力變化的動(dòng)態(tài)材

3、料常數(shù)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果作對(duì)比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者在定量上和定性上均吻合良好,證實(shí)了本文所建立的顯式模型的有效性,該顯式模型可以為通過(guò)設(shè)置合理的外加偏置條件來(lái)研制高性能的超磁致伸縮器件(如執(zhí)行器、傳感器、電子器件等)提供必要的理論依據(jù)。
　　在建立了超磁致伸縮材料動(dòng)態(tài)材料常數(shù)模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析了MPM(磁致伸縮層/壓電層/磁致伸縮層)三層磁電材料的低頻狀態(tài)和諧振狀態(tài)磁電耦合情況。先利用等效電路法建立起層合結(jié)構(gòu)的磁-機(jī)-電等效電路,根

4、據(jù)電路得到磁電系數(shù)的表達(dá)式,由表達(dá)式可以清晰地看到磁電系數(shù)與外加偏置磁場(chǎng)、預(yù)應(yīng)力和M層體積比三者有較強(qiáng)的非線性關(guān)系。將前面的到的動(dòng)態(tài)材料常數(shù)代入磁電系數(shù)表達(dá)式而得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值能吻合良好,證實(shí)了公式的正確性。然后預(yù)測(cè)了磁電系數(shù)在不同偏磁場(chǎng)、預(yù)應(yīng)力和體積比下的變化情況,可以看到存在一個(gè)最優(yōu)的偏置磁場(chǎng)和體積比;同時(shí),壓縮預(yù)應(yīng)力值越小,或者拉應(yīng)力值越大時(shí),磁電耦合效應(yīng)越大,對(duì)應(yīng)最大磁電耦合時(shí)的偏磁場(chǎng)越小。因此可以利用預(yù)應(yīng)力提高器件性能,減少