層狀磁電裝置的性能優(yōu)化及構(gòu)型設(shè)計.pdf

1、磁電效應(yīng)是介質(zhì)受磁場作用產(chǎn)生電極化，或受電場作用產(chǎn)生磁極化的物理現(xiàn)象。近年來，由磁致伸縮材料和壓電材料組成的層狀復(fù)合磁電效應(yīng)裝置因?yàn)闃O其顯著的磁電特性，逐漸引起了人們的注意，并被不斷應(yīng)用于智能電子器件領(lǐng)域。
　　目前，該領(lǐng)域的研究主要集中在提高裝置的磁電轉(zhuǎn)換效率?，F(xiàn)已表明，影響轉(zhuǎn)換效率的因素主要包括：材料參數(shù)、外部磁場大小和驅(qū)動磁場頻率，然而鮮有研究從理論角度解釋磁場方向和外部環(huán)境溫度對磁電轉(zhuǎn)換效率的影響。為此，本論文從磁場角度、

2、環(huán)境溫度和結(jié)構(gòu)構(gòu)型入手，建立了磁電效應(yīng)多場耦合模型，優(yōu)化了層狀磁電裝置性能，同時提出了U型磁電裝置。具體內(nèi)容包括：
　　首先，本論文基于彈性力學(xué)法，建立了的考慮磁場角度的層狀磁電效應(yīng)模型，并對不同磁場角度下的磁電效應(yīng)進(jìn)行了理論預(yù)測，其預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)吻合較好。結(jié)果表明，磁場角度對磁電轉(zhuǎn)化效率影響顯著。當(dāng)交流磁場沿層狀磁電裝置長度方向時，存在一個最優(yōu)的直流磁場角度可以使得裝置獲得最大的磁電響應(yīng)，直流磁場值越大，最優(yōu)角度越大。當(dāng)交流

3、磁場置于寬度方向時，無論直流磁場為何值，最優(yōu)的磁場角度總是在0°。但與前者不同，后者獲得最大磁電系數(shù)對應(yīng)的最優(yōu)磁場卻隨著磁場角度的增加而逐漸減小。同時本文也發(fā)現(xiàn)，裝置在共振頻率的磁電轉(zhuǎn)換效率大致為低頻下的100倍，且轉(zhuǎn)換效率隨磁場角度的變化規(guī)律保持不變。本論文結(jié)果表明，在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計中，最好的磁電器件設(shè)計方案是直流磁場保持與交流磁場共線。這樣既可以獲得最大的磁電系數(shù)，又不至于施加一個過大的直流磁場。
　　其次，本論文基于等效電路法

4、，建立了考慮環(huán)境溫度影響的功能梯度型層狀自偏磁電效應(yīng)模型。利用該模型得到的壓磁系數(shù)隨直流磁場的變化規(guī)律與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致。其預(yù)測結(jié)果顯示，在較低的預(yù)應(yīng)力作用下（大約<50MPa），磁電轉(zhuǎn)換效率隨著溫度升高而減弱，而在較大的預(yù)應(yīng)力作用下，則會隨著溫度升高而增強(qiáng)，但整體而言，較低的工作溫度和較小的預(yù)應(yīng)力更有利于功能梯度型自偏磁電裝置的磁電轉(zhuǎn)換。
　　最后，本論文從結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計角度出發(fā)，提出了U型磁電裝置，并首次建立了該構(gòu)型的理論

5、模型。結(jié)果表明，磁致伸縮材料越長，壓電材料越短，越有利于U型裝置的磁電效應(yīng)。同時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)共振頻率為91kHz時，裝置獲得1.3V/cmOe的最大磁電轉(zhuǎn)換效率，而在低頻磁電系數(shù)也可達(dá)到0.225V/cmOe。
　　總之，本論文從磁場角度、環(huán)境溫度和結(jié)構(gòu)構(gòu)型入手，完善和發(fā)展了磁電效應(yīng)多場耦合模型，并提出了 U型磁電裝置。本文的理論分析、數(shù)值仿真以及實(shí)驗(yàn)工作豐富和發(fā)展了多場耦合磁電效應(yīng)理論，同時也對層狀磁電裝置的技術(shù)改進(jìn)和實(shí)際