雙層非對稱磁電結構的非線性磁電耦合理論及實驗研究.pdf

1、磁電層合材料由于其磁電耦合特性，可實現(xiàn)磁電能之間的轉換，而受到廣泛的關注，使其被廣泛應用于磁電變壓器、傳感器、能量采集器等器件設計中。已有大量關于磁致伸縮材料和壓電材料構成的對稱式層合磁電材料的研究，對稱式結構尺寸較大，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稱結構為研究對象，對磁致伸縮材料的一維非線性力磁耦合本構關系、雙層磁電結構的非線性磁電耦合效應以及逆磁電耦合效應進行了研究。
　　首先

2、，從吉布斯自由能出發(fā)，結合熱力學關系，得到多項式形式的應力-應變關系和磁化關系。在描述磁致伸縮和磁化關系的過程中，引入一個新的非線性函數(shù)來描述不同應力情況下與磁疇轉動有關的應變來克服拉應力和壓應力下本構關系不同的不足。此外，通過引入新的磁化函數(shù)克服了無法給出顯式的磁化關系的另一個缺陷，最終獲得了一個形式簡潔的非線性磁彈本構關系。該模型預測結果與磁致伸縮材料Terfenol-D、Metglas和Ni等多種的實驗數(shù)據(jù)對比表明，該模型能夠準確

3、預測不同的磁致伸縮材料在不同預壓力水平和不同磁場下的磁致伸縮應變和磁化曲線。因此，該模型都能很好地描述磁致伸縮和磁化特性，無論是在中低場下還是高場下，不僅適用于正磁致伸縮材料，還可用于負磁致伸縮材料。新模型能全面地反映磁致伸縮材料的力磁非線性特性，預測結果亦能很好地解釋E效應。
　　其次，根據(jù)提出的非線性一維磁彈本構關系，可以進一步得到變系數(shù)形式的壓磁本構，由線性壓電本構來描述應力、應變、電場、電位移之間的關系。假設雙層結構存在一

4、個無應變的中性面，通過引入曲率描述雙層磁電材料非對稱結構引起的彎曲形變，根據(jù)力與力矩平衡條件，計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)磁電效應的理論模型。為了驗證模型的有效性，先將推導出的磁致伸縮材料的非線性動態(tài)材料參數(shù)與實驗結果對比驗證參數(shù)的適用性。隨后，實驗測量了Terfenol-D/PZT雙層結構的靜態(tài)磁電系數(shù)，利用本模型選取相同參數(shù)得到的預測結果同實驗數(shù)據(jù)進行對比，對比結果顯示兩者具有較好的一致性。在此

5、基礎上，采用該模型預測了不同應力、靜磁場對靜態(tài)磁電系數(shù)的影響，預測結果顯示，適當?shù)靥岣呃瓚梢蕴岣叽烹婑詈闲?，降低所需的最?yōu)磁場，為小型化磁電器件的設計與應用提供了理論基礎。
　　最后，為了進一步了解磁電層合材料逆磁電效應的特性，對磁致伸縮材料Terfenol-D和壓電材料PZT粘合制備的雙層結構的逆磁電效應進行了實驗研究。首先測量了準靜態(tài)情況下的逆磁電系數(shù)，改變層合結構所處的環(huán)境溫度，測量不同溫度下逆磁電系數(shù)。實驗結果顯示：

6、溫度的改變不影響逆磁電系數(shù)曲線的變化趨勢，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頻率對逆磁電系數(shù)的影響，尤其是彎曲諧振頻率附近的逆磁電系數(shù)變化，結果顯示，在彎曲諧振狀態(tài)下，磁電雙層結構出現(xiàn)較為明顯的諧振逆磁電效應雙峰現(xiàn)象，雙峰現(xiàn)象的出現(xiàn)提高了逆磁電系數(shù)，為實