基于高性能Metglas/PMNT的MPP结构磁电复合材料的交流极化研究

近年来,基于高性能Metglas/PMNT的磁电复合材料的弱磁传感器受到广泛关注。随着磁电复合材料的深入研究,发现Multi-Push-pull磁电复合材料具有磁电系数高,内部噪声低等诸多优点,在弱磁场探测领域展现出巨大的应用前景。考虑到MPP结构的磁电复合材料的通常使用的是三方相的PMNT单晶和Metglas非晶合金,使用交流极化(ACP)方法改善MPP结构磁电复合材料的磁电响应。采用交流极化的方法来提升PMNT单晶的性能,通过探索不同的极化条件(包括极化温度、极化电压和极化频率)来提升MPP结构磁电复合材料的磁电系数,从而提升磁电传感器的弱磁探测能力。

一种实用超声马达驱动电路的设计和制作

超声波马达是一种借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力的驱动结构.超声波马达需要专用电源供电,在实验室中只要具有信号发生及放大装置即可满足这个要求,而当马达作为某个装置的部件时,就需要配置专用的可移动电源器.针对实验室利用压电材料所研制的新型超声波马达,设计和制作出了一种专用驱动电路.该驱动电路由干电池提供直流电源,产生频率范围为10-100 kHz,电压峰峰值为0-180 V可调的超声波信号.实验结果表明,研制的电路性能稳定,能方便地驱动超声波马达,并良好运转.

弛豫铁电单晶的多功能特性及其器件应用

以Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-PbTiO_(3)(PMN-PT或PMNT)为代表的弛豫铁电单晶具有远高于常用锆钛酸铅Pb(Zr_(x) Ti_(1-x))O_(3)(PZT)陶瓷的压电性能,引起了基于新一代压电单晶的功能器件研究热潮。本研究团队在国际上率先利用Bridgman方法生长出了大尺寸、高质量PMN-PT等弛豫铁电单晶(d_(33)~2000 pC/N,k_(33)~92%),并对PMN-PT等弛豫铁电单晶的生长、多层次微观结构和性能调控进行了多方面的研究,发现弛豫铁电单晶不仅具有超高压电性能,还具有突出的热释电性能、电光性能以及与磁致伸缩材料复合形成磁电复合材料的超高磁电耦合性能。本研究团队多年来一直在努力推动弛豫铁电单晶在医用超声换能器、热释电红外探测器、电光器件、磁电型弱磁传感器等各种器件的应用研究。本文主要总结了弛豫铁电单晶的多功能特性,并介绍了本研究团队在弛豫铁电单晶器件应用上的研究结果。

弛豫铁电单晶的生长、性能及应用研究

弛豫铁电单晶因其具有优异的压电和热释电性能而成为下一代高性能压电换能器和红外热释电探测器用的多功能材料。利用坩埚下降法生长出了大尺寸、高质量的弛豫铁电单晶PMNT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3),以及高居里点PIMNT(xPb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-zPbTiO3)单晶。系统研究了其组分诱导相变、电场诱导相变规律,以及相结构、畴结构对晶体高压电性能的影响。系统表征了PMNT单晶的力学、电学、压电、和热释电性能。系统研究了PMNT单晶及掺杂改性的PMNT单晶的结构和性能。利用弛豫铁电单晶PMNT及其复合材料制作了医用超声换能器,其性能相比于PZT陶瓷制作的换能器有大幅度提高;利用PMNT制作了压电能量收集器,实现了高能量密度的机械振动能量收集;利用Mn掺杂的PMNT单晶制作了热释电红外探测器,其电压响应率Rv(500 K,12.5 Hz,25℃)达到14540 V/W,比探测率D*(500 K,12.5 Hz,25℃)达到1.07×109 cmHz1/2W-1;利用PMNT单晶制作了低噪声、高灵敏度的交变弱磁传感器,探测性能达到1 pT.Hz-1/2。

环境振动特性和压电型集能器的研制

基于变电站变压器的工作环境特征,测试分析变压器的振动特性,获得其振动频率为100 Hz,加速度峰值为0.416 m/s2,据此设计和制备压电型集能器,确定其尺寸参数,并对其输出性能进行系统研究。器件在0.416 m/s2加速度激励下输出电压随振动频率的变化关系显示,在100 Hz时电压峰值达到9.4 V。设计的集能器谐振频率与变电站变压器振动频率一致,非常适于变电站变压器振动能量收集和应用,对于支持变电站故障抢修具有十分重要的意义。

磁电系数自动化测试系统设计研究

采用LabVIEW软件平台搭建一套自动化的磁电系数测试系统,完善复合磁电材料磁电系数测试方法.测试系统的直流磁场测试范围为:0～100Oe,磁场分辨率为0.016Oe;交流磁场频率测试范围为:10～105 Hz,频率分辨率为1MHz.对Pb(Mg1/3Nb2/3)-0.30PbTiO3/Metglas复合磁电材料进行多次测量,测试结果表明,该测试系统具有良好的数据采集、数据保存、实时显示功能与可操作性,并且系统软件具有参数设置灵活、可二次开发等优点.

用于电站变压器振动能收集器的能量管理系统设计

为了克服压电型能量收集器的接口电路中负载匹配及电路损耗问题,基于前期研究的基础上,针对压电能量收集器在电站变压器中的应用环境,提出了一种新型电荷提取并储能的电路,通过无源峰值检测开关电路的应用,计算并分析了压电模块和后端电路模块的耦合效应,并且通过实验获得了一系列结论,这些方案优化了压电能量收集器的电路设计,充分收集了能量转换器输出的能量,提高了储能效率。经实验证明,基于能量收集器的电源管理电路给2节锂电池充电70天,可驱动3个60 m W的LED白光灯照明约3.88 h,也可用于带动紧急照明和应急操作系统的工作。