層狀磁電復(fù)合材料磁電效應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、磁電(magneto electric，簡記為ME)效應(yīng)，即材料在外磁場的作用下介電極化發(fā)生變化或者在外電場作用下磁化性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。具有磁電效應(yīng)的材料可以實(shí)現(xiàn)磁場能量與電場能量之間的轉(zhuǎn)換，是一種重要的功能材料。對于單相磁電材料，由于磁電效應(yīng)弱和成本高等因素，使得單相材料并沒有獲得實(shí)際技術(shù)上的應(yīng)用。開發(fā)和研究具有強(qiáng)磁電效應(yīng)的磁電復(fù)合材料成為材料科學(xué)研究領(lǐng)域廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)之一。由于層狀磁電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)簡單，易于制備，鐵電相與鐵磁相之間

2、沒有相互稀釋混雜，能獲得理想的磁電效應(yīng)，因此在磁電傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
　　 影響復(fù)合材料磁電轉(zhuǎn)化的因素很多，如各組元的壓電和壓磁性能、體積分?jǐn)?shù)及界面耦合狀態(tài)，因此需要建立一定的理論模型對磁電效應(yīng)的變化規(guī)律進(jìn)行研究。本文基于磁致伸縮相與壓電相的本構(gòu)方程，應(yīng)用彈性力學(xué)模型，介紹了如何推導(dǎo)自由狀態(tài)的雙層磁電復(fù)合材料縱向、橫向磁電電壓系數(shù)。并采用相應(yīng)的材料參數(shù)計(jì)算了La0.7Sr0.3MnO3-Pb(Zr，Ti)O3(LSMO

3、-PZT)、Ni0.8Zn0.2Fe2O4(NZFO)-PZT、Tb1-xDyxFe2-y(TDF)-PZT雙層磁電復(fù)合材料中的磁電電壓系數(shù)，具體分析了其與壓電相的體積分?jǐn)?shù)v、界面耦合參數(shù)k以及偏置磁場H之間的關(guān)系。分析結(jié)果表明，在某一體積分?jǐn)?shù)vm下，磁電電壓系數(shù)達(dá)到最大值，且最大值與k成近似線性關(guān)系。由于TDF的超大磁致伸縮效應(yīng)，TDF-PZT雙層磁電結(jié)構(gòu)的橫向磁電電壓系數(shù)可達(dá)1900mVcm-1Oe-1，而LSMO-PZT、NZFO

4、-PZT的僅為165mVcm-1Oe-1和280mVcm-1Oe-1。研究結(jié)果表明：優(yōu)異的磁致伸縮性能、合適的體積分?jǐn)?shù)、良好的界面耦合是影響磁電效應(yīng)的關(guān)鍵因素。
　　 在磁電復(fù)合材料中，鈦酸鋇BaTiO3是最早使用的壓電體，后來，逐漸被鋯鈦酸鉛Pb(Zr，Ti)O3(PZT)所代替，因?yàn)镻ZT具有相對成熟的制備工藝和更好的壓電性能。但是PZT中含量很高的有毒鉛Pb和鋯Zr對人體和環(huán)境造成危害，因此尋找PZT的替代品已成為科學(xué)研究

5、的一個主要課題。近年來有報導(dǎo)，微量Fe摻雜的BaTiO3單晶和1.0mol％Mn摻雜的BaTiO3陶瓷在老化后具有很大的電致伸縮效應(yīng)，并具有較好的抗疲勞性。
　　 本文用溶膠-凝膠法制備1.0mol％Mn、Cr、Co摻雜BaTiO3粉體，在1250℃下燒結(jié)成多晶陶瓷樣品。X射線衍射和差示掃描量熱分析表明：室溫下?lián)诫sBaTiO3具有四方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)；居里點(diǎn)和相變潛熱隨Cr、Mn、Co摻雜逐漸降低。測量了Tb1-xDyxFe2-y(T

6、DF)的磁致伸縮系數(shù)和磁熱曲線。將摻雜BaTiO3與Tb1-xDyxFe2-y(TDF)膠合制成雙層磁電復(fù)合材料，并研究了Cr摻雜BaTiO3-TDF、Mn摻雜BaTiO3-TDF、Co摻雜BaTiO3-TDF雙層磁電復(fù)合材料中的磁電效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，在340Oe偏置磁場下，Cr摻雜BaTiO3-TDF的橫向磁電電壓系數(shù)達(dá)到最大值586mVcm-1Oe-1。在400Oe偏置磁場下，Mn摻雜BaTiO3-TDF和Co摻雜BaTiO3-TDF