層狀磁電復合材料磁電效應的理論和實驗研究.pdf

1、磁電(magneto electric，簡記為ME)效應，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發(fā)生變化的現(xiàn)象。具有磁電效應的材料可以實現(xiàn)磁場能量與電場能量之間的轉換，是一種重要的功能材料。對于單相磁電材料，由于磁電效應弱和成本高等因素，使得單相材料并沒有獲得實際技術上的應用。開發(fā)和研究具有強磁電效應的磁電復合材料成為材料科學研究領域廣泛關注的熱點之一。由于層狀磁電復合材料結構簡單，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，因此在磁電傳感器等領域有著廣泛的應用。
　　 影響復合材料磁電轉化的因素很多，如各組元的壓電和壓磁性能、體積分數(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的變化規(guī)律進行研究。本文基于磁致伸縮相與壓電相的本構方程，應用彈性力學模型，介紹了如何推導自由狀態(tài)的雙層磁電復合材料縱向、橫向磁電電壓系數(shù)。并采用相應的材料參數(shù)計算了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數(shù)v、界面耦合參數(shù)k以及偏置磁場H之間的關系。分析結果表明，在某一體積分數(shù)vm下，磁電電壓系數(shù)達到最大值，且最大值與k成近似線性關系。由于TDF的超大磁致伸縮效應，TDF-PZT雙層磁電結構的橫向磁電電壓系數(shù)可達1900mVcm-1Oe-1，而LSMO-PZT、NZFO

4、-PZT的僅為165mVcm-1Oe-1和280mVcm-1Oe-1。研究結果表明：優(yōu)異的磁致伸縮性能、合適的體積分數(shù)、良好的界面耦合是影響磁電效應的關鍵因素。
　　 在磁電復合材料中，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，因為PZT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研究

5、的一個主要課題。近年來有報導，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，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具有四方鈣鈦礦結構；居里點和相變潛熱隨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雙層磁電復合材料中的磁電效應。實驗表明，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