铁磁/铁电复合材料应力微振发电器件的研制

摘要

本文主要研究铁磁/铁电复合材料在微振动环境下(波动应力场中)的发电机理及应力微振发电器件的制备。我们首先研究了铁磁材料中的应力变磁导效应,即磁性材料在外加应力的作用下产生的磁导率的变化。我们将磁性材料置于静态力场中,由于磁性材料受到挤压发生机械形变从而导致其内部磁序发生变化,相应的材料的磁导率也发生变化,这一变化可以通过绕在磁芯上线圈中的电感变化看出,我们知道线圈中的电感L=N2Vμ0μeff,因此,改变应力可以改变电感。由实验研究我们得到,线圈中的电感与应力成反比。然后,我们利用铁电材料在电场中的电致伸缩引起铁磁材料的机械形变,改变电场的强度,同样通过线圈中的电感变化研究内应力变化引起的磁序变化及其规律。由以上研究我们得到,改变应力(包括内应力和外应力)可以改变复合材料内的电序和磁序,在探测线圈中有电感的变化。当我们在复合材料中的铁电材料上加交变电场时,在线圈中可测得感应电压,分析可得,这是由于外加的交变电场诱导铁电材料发生周期性电致伸缩,铁磁/铁电复合材料中磁序和电序也发生周期性振动引起的,我们研究了感应电压与外加电场频率的变化关系。接着,我们撤去外加电场,研究材料在波动应力场中感应线圈中的电量,比较铁磁单相材料与铁磁/铁电复合材料,得到复合材料中产生的电量更为明显,因此我们利用铁磁/铁电复合材料制成应力微振发电器件,并测量计算其发电功率,得到在接入负载为1000欧时,负载的功率为0.066×10-6W,比较小。为增大负载的功率,我们设计将铁磁/铁电复合材料应力微振发电器件集成,实验中我们选取三片铁磁/铁电复合材料应力微振发电器件集成,并再次测量负载功率得到,在接入负载为1000欧时,负载的功率为0.227×10-6W,约是单片时的3.4倍,因此,利用集成的方法可以将负载上的功率提高到足够大,因此,大规模的集成可以实现并制成大功率的铁磁/铁电复合材料应力微振发电器件,实现将机械振动能量转化成电能,这样的发电方式不仅实现了对能源的再次利用,还是一种绿色发电方式,因此其具有很高的研究价值和广泛的应用前景。