雙層非對(duì)稱磁電結(jié)構(gòu)的非線性磁電耦合理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、磁電層合材料由于其磁電耦合特性，可實(shí)現(xiàn)磁電能之間的轉(zhuǎn)換，而受到廣泛的關(guān)注，使其被廣泛應(yīng)用于磁電變壓器、傳感器、能量采集器等器件設(shè)計(jì)中。已有大量關(guān)于磁致伸縮材料和壓電材料構(gòu)成的對(duì)稱式層合磁電材料的研究，對(duì)稱式結(jié)構(gòu)尺寸較大，且其在諧振頻率附近將存在較大的損耗，故為了解決上述存在的不足，本文將選取雙層非對(duì)稱結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)磁致伸縮材料的一維非線性力磁耦合本構(gòu)關(guān)系、雙層磁電結(jié)構(gòu)的非線性磁電耦合效應(yīng)以及逆磁電耦合效應(yīng)進(jìn)行了研究。
　　首先

2、，從吉布斯自由能出發(fā)，結(jié)合熱力學(xué)關(guān)系，得到多項(xiàng)式形式的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和磁化關(guān)系。在描述磁致伸縮和磁化關(guān)系的過程中，引入一個(gè)新的非線性函數(shù)來描述不同應(yīng)力情況下與磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)的應(yīng)變來克服拉應(yīng)力和壓應(yīng)力下本構(gòu)關(guān)系不同的不足。此外，通過引入新的磁化函數(shù)克服了無(wú)法給出顯式的磁化關(guān)系的另一個(gè)缺陷，最終獲得了一個(gè)形式簡(jiǎn)潔的非線性磁彈本構(gòu)關(guān)系。該模型預(yù)測(cè)結(jié)果與磁致伸縮材料Terfenol-D、Metglas和Ni等多種的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，該模型能夠準(zhǔn)確

3、預(yù)測(cè)不同的磁致伸縮材料在不同預(yù)壓力水平和不同磁場(chǎng)下的磁致伸縮應(yīng)變和磁化曲線。因此，該模型都能很好地描述磁致伸縮和磁化特性，無(wú)論是在中低場(chǎng)下還是高場(chǎng)下，不僅適用于正磁致伸縮材料，還可用于負(fù)磁致伸縮材料。新模型能全面地反映磁致伸縮材料的力磁非線性特性，預(yù)測(cè)結(jié)果亦能很好地解釋E效應(yīng)。
　　其次，根據(jù)提出的非線性一維磁彈本構(gòu)關(guān)系，可以進(jìn)一步得到變系數(shù)形式的壓磁本構(gòu)，由線性壓電本構(gòu)來描述應(yīng)力、應(yīng)變、電場(chǎng)、電位移之間的關(guān)系。假設(shè)雙層結(jié)構(gòu)存在一

4、個(gè)無(wú)應(yīng)變的中性面，通過引入曲率描述雙層磁電材料非對(duì)稱結(jié)構(gòu)引起的彎曲形變，根據(jù)力與力矩平衡條件，計(jì)算確定中性面的位置和曲率大小，最終建立了考慮彎曲形變的非線性靜態(tài)磁電效應(yīng)的理論模型。為了驗(yàn)證模型的有效性，先將推導(dǎo)出的磁致伸縮材料的非線性動(dòng)態(tài)材料參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證參數(shù)的適用性。隨后，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了Terfenol-D/PZT雙層結(jié)構(gòu)的靜態(tài)磁電系數(shù)，利用本模型選取相同參數(shù)得到的預(yù)測(cè)結(jié)果同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果顯示兩者具有較好的一致性。在此

5、基礎(chǔ)上，采用該模型預(yù)測(cè)了不同應(yīng)力、靜磁場(chǎng)對(duì)靜態(tài)磁電系數(shù)的影響，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，適當(dāng)?shù)靥岣呃瓚?yīng)力可以提高磁電耦合效應(yīng)，降低所需的最優(yōu)磁場(chǎng)，為小型化磁電器件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。
　　最后，為了進(jìn)一步了解磁電層合材料逆磁電效應(yīng)的特性，對(duì)磁致伸縮材料Terfenol-D和壓電材料PZT粘合制備的雙層結(jié)構(gòu)的逆磁電效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。首先測(cè)量了準(zhǔn)靜態(tài)情況下的逆磁電系數(shù)，改變層合結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度，測(cè)量不同溫度下逆磁電系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：

6、溫度的改變不影響逆磁電系數(shù)曲線的變化趨勢(shì)，但隨著溫度升高，磁致伸縮材料內(nèi)部的非180°磁疇逐漸被瓦解，磁致伸縮的性能也隨之受到影響，由此得到的磁致伸縮應(yīng)變傳遞到壓電層而產(chǎn)生的極化也受到了抑制，故逆磁電系數(shù)的最大值隨溫度增大逐漸減小。此外，本文還探究了不同交變磁場(chǎng)頻率對(duì)逆磁電系數(shù)的影響，尤其是彎曲諧振頻率附近的逆磁電系數(shù)變化，結(jié)果顯示，在彎曲諧振狀態(tài)下，磁電雙層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較為明顯的諧振逆磁電效應(yīng)雙峰現(xiàn)象，雙峰現(xiàn)象的出現(xiàn)提高了逆磁電系數(shù)，為實(shí)