新型层状磁电复合材料的磁电转换性能研究

摘要

在移相器、磁场矢量探测器、延迟线和传感器等器件设计中，磁致伸缩材料和压电材料是两种重要的功能转换材料。层状磁电复合材料的磁电效应是由磁致伸缩层和压电层的“乘积效应”产生的，在外加磁场的作用下，磁致伸缩层产生应力或应变，通过粘结层，机械运动传递到压电层，并由于逆压电效应而产生电场，从而实现磁电转换效应。层状磁电复合材料具有较单相磁电材料和颗粒磁电复合材料更为优越的磁电转换性能，在微传感器、微驱动器领域具有广阔的应用前景。本课题研究方向在国际上相对较新，论文着重探讨圆筒形层状磁电复合材料磁电转换性能及器件设计。研究内容源自重庆市教委科学技术研究项目(KJ100512)-层状磁电复合材料的磁电转换研究和重庆市自然科学基金(CSTC，2010DD2412)-层状磁电复合材料的研究。
　　 本文从三层平板形层状磁电复合材料模型出发，基于材料学、力学理论推导出1-3模式下的磁电转换系数和磁-机-电等效电路。运用理论求解的结果，并以新型层状磁电复合材料Terfenol-D/PMNT/Terfenol-D为算例，用Matlab数学软件得出新型材料Terfenol-D/PMNT/Terfenol-D的最大磁电转换系数αv，max=375.4mV/Oe。新的压电材料PMNT的引入使得复合材料的磁电转换系数大大高于文献[1]提供的Terfenol-D/PZT/Terfenol-D复合材料的磁电转换系数(αv，max=186.5mV/Oe)，必将有助于开发更高性能的磁电复合材料器件，有望成为实际应用器件的主流材料。接着本文建立了圆筒形层状磁电复合材料模型，主要讨论轴向磁电性能、垂直方向的磁电性能、以及圆筒形特有的体积磁致伸缩引起的磁电转换性能，由于圆筒形层状磁电复合材料垂直方向磁电性能增加了压电效应d33的影响，理论分析推导出圆筒形Terfenol-D/PMNT/Terfenol-D层状磁电复合模型磁电转换系数要高于平板形结构模型3倍以上。而后本文建立层状磁电复合材料的有限元分析方法，并使用电磁场仿真软件HFSS对圆筒形模型和平板形模型进行仿真，得出各层材料的电场、磁场以及电流分布情况。最后本文根据仿真结果，用圆筒形层状磁电复合材料优异的磁电转换性能设计出换能器，以Terfenol-D/PMNT/Terfenol-D作为参考材料，得出该换能器产生电压增益效应VOUT/VIN=21.26。用该模型设计出来的换能器可以用于微机电MEMS系统中提供较高的驱动能量，为微机电系统发展、设计提供新的思路与方法。
　　 在广泛查阅相关资料的基础上，本文首次采用圆筒形层状磁电复合材料设计了换能器，明确了其工作原理，并探讨了其制备方法，为后续探究更高性能的层状磁电材料器件的电路设计及应用提供参照。