偏置磁场对磁电复合材料磁电系数的影响研究

为了研究外加偏置磁场对层叠磁电复合材料磁电系数(αME)的影响,文章利用COMSOL有限元分析软件建立了磁致伸缩/压电/磁致伸缩层叠复合材料三维模型,分析了施加交-直流偏置磁场对磁电复合材料αME的影响。结果表明:交流偏置磁场强度(Hac)的幅值对磁电复合材料的αME没有影响,但频率对αME影响较大,存在谐振频率140 kHz;磁电复合材料的αME随直流偏置磁场强度(Hdc)的增加而先增大后减小,存在最优值。文章设计了一套复合材料磁电系数的测试系统,实验测试了Hdc对磁电复合材料αME的影响,结果表明,在实验测试范围内,实验结果与仿真结果基本吻合。

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.

磁电复合材料结构对磁电系数的影响

利用基于压电效应和磁致伸缩效应的本构方程,采用有限元法分别对矩形、半圆形、凸半圆形以及梯形4种不同几何形状的磁致伸缩/压电/磁致伸缩层叠复合材料的磁电响应进行研究,分析复合材料的磁电特性。结果表明:稳态时,两端为半圆形的磁电复合结构的输出电压最大,在外加直流磁场为1 000 Oe时可达76.25 V。频域分析中,两端为凸半圆形的磁电复合结构的共振频率最低,为76.5 kHz。在1 kHz时,两端为梯形结构的磁电复合结构磁电系数最大,为7.63 V/(Oe·cm),在共振时,磁电系数达到126.34 V/(Oe·cm)。进一步分析了磁电压电材料不同层叠顺序对半圆形结构复合材料磁电系数的影响,结果表明PTN层叠顺序的磁电复合结构的磁电系数最大,为5.48 V/(Oe·cm),而TPN层叠顺序型磁电复合材料的磁电系数最小,为1.64 V/(Oe·cm)。

基于LabVIEW的磁电系数自动化测试平台搭建

磁电耦合系数的测定是进行磁电复合材料研究的前提。在系统介绍磁电耦合测试的基本原理及其实现方法的基础上,利用一个线圈同时产生交流和直流磁场,避免了多个线圈之间的互感,并借助Lab VIEW软件,搭建磁电耦合系数的全自动化测试平台。利用该自动化磁电测试系统,对环氧树脂粘接而成的Metglas/PZT/Metglas磁电复合材料进行测试,测试结果显示,磁电谐振峰与样品阻抗谐振峰测试结果一致,且反复测量结果误差小于1.4%。研究表明,基于Lab VIEW的磁电系数自动化该测试系统误差小、稳定性好。

非接触式柔性自偏置磁电电流传感器设计与应用

针对电网中现有电流传感器存在的易磁芯饱和、体积大、响应带宽窄、制备成本较高等问题,设计了一种柔性自偏置磁电电流传感器。首先,测试了磁电电流传感器在零偏置状态下的磁电性能,磁电电压系数可达17.65 V/(cm·Oe),表明传感器在零偏置状态下具有优异的磁电响应性能;然后,通过搭建的电流测试平台对传感器电流检测能力进行了验证,结果表明,传感器在谐振及工频频率时都具有良好的电流监测能力,且在工频电流50 Hz时灵敏度为33.07 mV/A,具有优异的灵敏度和线性度;最后,设计的磁电电流传感器在电力电缆护层环流监测业务上进行了试点应用,运行良好,表明非接触式柔性自偏置磁电电流传感器在电网非接触电流检测领域具有很大的应用价值和广阔的应用前景。

Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层状复合磁电传感器磁电效应

采用树脂粘结法制作了L-T型(磁致伸缩层的磁化方向与压电层的极化方向相互垂直)Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层状复合磁电传感器。采用等效电路法对磁电系数进行了详细推导,得到磁电系数方程。磁电系数方程显示磁电系数决定于Terfenol-D与PZT的性能参数和磁电传感器中两种材料的体积比。为此从理论和实验上分析了偏置磁场、传感器中两种材料所占的体积比以及驱动磁场频率对磁电系数的影响规律。结果表明偏置磁场、传感器中两种材料所占的体积比和驱动磁场频率对磁电传感器磁电系数的影响都很明显,并且磁电系数的计算结果与实验结果一致,对于所制作的复合磁电传感器,相同条件下磁电系数的计算值与实验值的相对差值小于6%。

磁电复合薄膜材料的理论和实验研究进展

磁电复合薄膜材料由铁磁相和铁电相复合而成,其在一定温度范围内不仅同时具有铁磁性、铁电性,而且更重要的是具有磁电耦合效应或磁电效应,已成为目前功能材料领域新的研究热点之一。阐述了磁电复合薄膜的磁电耦合机制,介绍了磁电复合薄膜的分类和特点;综述了磁电复合薄膜理论研究中几种主要的研究方法,并论述了实验研究的进展;最后指出了目前磁电复合材料研究中存在的问题和发展趋势。

磁致伸缩/压电层叠复合材料磁电效应分析

采用有限元分析软件COMSOL5.0建立了三维悬臂梁模型,分析了磁致伸缩/压电/磁致伸缩叠层复合材料的磁电系数α_(ME),并就几何参数对复合结构磁电系数的影响进行了优化分析.首先,利用稳态求解器研究了磁电层状复合结构内部的应力、应变、位移以及电势分布情况,利用瞬态求解分析了磁电复合结构各变量动态分布规律;其次,应用小信号频域分析研究了该结构的谐振频率以及在不同偏置磁场对输出电压的影响,结果表明,随着直流偏置磁场的增加,输出电压逐渐减小.改变复合材料不同层的厚度,分析了磁电层与压电层厚度比t_m/t_p对磁电系数的影响,结果表明,随着厚度比增加,α_(ME)逐渐增大,其增加速率逐渐减小;最后,分析了磁电系数α_(ME)随复合结构面积、长宽比的变化情况.分析表明,α_(ME)随磁电复合结构面积的增加逐渐增加,其增加速率逐渐减小;当磁电复合结构面积恒定时,其磁电系数随长宽比L/W增加表现出先增加后减小的趋势,存在最优值.

层状磁电复合材料的磁电转换分析

提出层状磁电复合材料L-T模型,从压电效应和压磁效应本构方程出发,采用等效电路法对复合材料的磁电电压系数进行理论分析,并对材料磁电响应进行了数值计算,得出磁电响应仿真结果,所推导的磁电电压系数公式与等效电路模型公式得出的计算值相符,为磁电层材料的制备和优化提供理论工具。

Metglas/PZT磁电叠层结构的输出倍频现象及直流场的影响

磁电复合材料在磁场(电场)激励下表现出的一些新颖的物理特性越来越引起人们的关注。采用粘接法制备了纵向极化、横向磁化的L-T型Metglas/PZT叠层结构,在该结构中发现了一种输出信号倍频现象,即当输入信号的频率为器件机械共振频率的1/n时,输出频率为输入的n倍。这种倍频现象源于磁电叠层结构中磁性材料磁致伸缩的非线性行为和器件共振特性的共同作用。由于器件共振的影响,当输入频率为器件共振频率的1/2时,磁电系数的直流场依赖曲线表现出明显的双峰现象。

柔性Metglas/PVDF磁电层合材料的制备及磁电特性研究

柔性磁电层合材料在交流电流测量方面具有重要的应用价值。由于柔性磁电层合材料的厚度在μm量级,因此其性能与制备过程相关。本文主要探讨了使用刮涂方式时,刮涂PVDF乳液所用涂布器厚度、PVDF刮涂后干燥时间、PVDF刮涂次数、银层固化加热温度和加热时间等变量对材料性能的影响。本研究采用了多变量实验设计,共进行了48组实验。制备完成后,先对每一组样品的极化性能进行了评估,然后对成功极化的样品的磁电特性进行了测试。综合来看,磁电特性表现最好的样品,其对应的变量结合条件并不是在极化评估中表现最好的,这说明提高材料制备的成功率和获得材料优良的磁电特性二者之间存在一定的冲突。因此如果侧重于获得足够大的磁电系数,那么材料的成品率需要有所牺牲。该结论对于柔性磁电层合材料的制备具有指导意义。

动态法测量材料的磁电效应

根据动态法测量磁电效应的基本原理,优化设计并建立了磁电效应测量系统,对其中的一些重要参数对磁电效应测量的影响进行了研究.结果表明,综合考虑测量需要,选择适当的测量参数,对于磁电效应的正确测量十分重要.适当增加线圈长度、减小线圈匝数以及减小交变磁场场强,都是提高磁电效应测量精度、减小测量误差的有效途径.

FeGa/BTO/FeGa层状复合材料的磁电效应

采用区域熔炼法制备FeGa磁致伸缩材料,继而制备了FeGa/BTO(BaTiO3)/FeGa层状复合结构材料。通过X射线衍射和金相显微镜观察FeGa的相成分和微观结构,利用振动样品磁强计和标准电阻应变片法表征了磁性相的磁滞回线和磁致伸缩性能,采用动态测量法测量样品的磁电性能。通过环状样品设计消除样品被交流激励场磁化时的退磁场并与存在退磁场的碟片状样品进行对比,以研究退磁场对层状双相复合材料磁电性能的影响。发现碟片状样品的磁电系数对直流磁场的响应约为交变磁场的1/5,通过悬臂梁模型和理论推导得到磁电系数正比于应变和交流激励磁场的比值,碟片状样品的饱和磁致伸缩应变与饱和场之比是环状样品的1/5,与理论计算结果一致。因此通过降低退磁场可以提高双相磁电材料的磁电性能。

铌酸钾钠/铁酸钴铜多铁性磁电复合材料的制备及性能研究

通过固相法制备了(1–x)(0.9462K0.5Na0.5NbO3-0.0498LiSbO3-0.004BiFeO3)-xCo0.85Cu0.15Fe2O4((1–x)(KNN-LS-BFO)-xCCFO)(x=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5)复合多铁性磁电陶瓷.XRD分析表明:烧结后的样品为复合的钙钛矿和尖晶石结构,没有发现杂相产生.SEM照片显示KNN-LS-BFO晶粒生长完好尺寸较大,而CCFO晶粒尺寸较小.当x从0.1增加到0.5时,复合材料的压电系数从120 pC/N减小到33 pC/N,而饱和磁化强度和剩磁增加,饱和磁致伸缩系数从18×10–6增加到51.5×10–6左右.材料的磁电耦合系数随着外磁场的增加先增大到极大值后再减小;当交变磁场频率为1 kHz,x=0.3时材料的磁电电压系数达到最大值20.6 mV/A.

新型磁电复合材料传感器的理论分析

设计了巨磁致伸缩材料(Terfenol-D)/锆钛酸铅(PZT)/巨磁致伸缩材料(Terfenol-D)三层磁电材料L-T模型传感器,利用所设计的磁电传感器,可以精密测试磁场强度。采用等效电路法对复合材料的磁电电压系数进行理论分析与计算,表明所设计的传感器具有很高的磁场测量精度,建立的方程对磁电传感器的设计具有指导作用。

xCoAl_(0.2)Fe_(1.8)O_4+(1-x)BaTiO_3纳米磁电复合材料的磁、介电和磁电特性研究

采用溶胶-凝胶方法制备了xCoAl0.2Fe1.8O4+(1-x)BaTiO3纳米磁电复合材料.XRD图谱分析表明烧结后的样品是复合的钙钛矿(BaTiO3)和尖晶石(CoAl0.2Fe1.8O4)结构,SEM图像显示复合材料颗粒大小均匀.用磁滞回线研究了材料的磁性能,并通过Koops双层异质结构模型解释了复合材料的介电频散现象.测量结果表明:0.20CoAl0.2Fe1.8O4+0.80BaTiO3的样品在偏置磁场为1.35×105A/m时表现出最大的磁电电压系数1.075×10-2 V/A.

磁电复合材料PMN-PT/Terfenol-D/PMN-PT磁电耦合性能的有限元分析

由铁电相和铁磁相组成的磁电复合材料被证明有非常显著的磁电耦合效应,近年来受到越来越多的关注。利用有限元PDE的方法对磁电复合材料PMN-PT/Terfenol-D/PMN-PT的磁电耦合性能进行了分析,主要研究了边界条件、结构尺寸对磁电耦合性能的影响。研究发现,当上下表面y方向固定,其它表面自由时,磁电复合材料长度方向伸缩更加明显,具有更大的磁电耦合系数;铁电相和铁磁相厚度比与磁电耦合系数程非线性关系,当铁电相厚度为1.1mm,铁磁相厚度为1.9mm时,磁电耦合系数具有最大值3.354((V/m)/A/m));当铁电层尺寸保持不变,铁磁层长度超过10mm后,铁磁层长度对磁电耦合系数影响不明显。该理论结果可以用于提高磁电耦合性能同时达到节省材料的目的。

外电场对层状复合材料磁电效应的影响

以Landau唯象热力学理论为基础,求得了与电场相关的压电相状态方程,结合磁致伸缩相状态方程和一定的边界条件,研究了外电场对磁电电压系数的影响.结果显示:用来极化铁电层的外电场对磁电作用有很大的影响,随着外电场的增大,横向和纵向的磁电电压系数将明显减小,从而有效分析了磁电电压系数实验值小于理论值的可能原因.

磁致伸缩/压电叠层复合材料磁-机-电耦合系数分析

分析和推导了磁致伸缩/压电叠层复合材料的机-电耦合系数、磁-机耦合系数及磁-电耦合系数与磁致伸缩层和压电层性能参数及几何参数之间的关系.进一步分析表明,叠层复合材料低频时的磁电电压系数正比于磁-电耦合系数,谐振时的磁电电压系数正比于磁-电耦合系数与机械品质因素的乘积;磁电电压系数还与复合结构的本征阻抗有关,本征阻抗越大磁电电压系数越大.通过性能差异较大的Terfenol-D和FeNi基弹性合金分别与压电材料PZT5-H和PZT8相互组合构成复合材料的比较分析,进一步阐明了磁电复合材料磁-电耦合系数和机械品质因素在磁电转换中的作用及其物理意义.制备了Terfenol-D/PZT5-H和FeNi基弹性合金/PZT8叠层复合材料样品进行实验,理论分析能够较好的解释实验结果.

多铁性复合材料非理想界面的模拟及其影响

为研究多铁性复合材料中界面特性对磁电耦合的影响,建立一种采用界面内聚力单元的多铁性复合材料有限元分析模型.基于压电和压磁材料本构关系的模拟特性,采用压电有限单元模拟各单相材料;将内聚力模型用于表征界面上相间相互作用力和位移间断之间的关系,可描述非理想界面的刚度和强度,并通过相应的内聚力单元来实现.各种非理想界面状况可通过调节内聚力模型参数来表征,而理想界面可通过对界面刚度加强来模拟.具有理想界面的层状多铁性复合材料的算例分析结果与文献一致.采用本文的有限元模型分析了非理想界面的刚度对磁电耦合的影响,计算了相应的磁电耦合系数.结果表明,界面刚度对复合材料的磁电系数有重要影响,当界面刚度足够大时,界面特性接近于理想界面,磁电系数趋于恒定.本文方法和结果对理论和实际中界面处理、磁电耦合性能的预测具有参考意义.