磁致-壓電層合材料磁電特性研究.pdf

1、磁致/壓電層合材料的磁電效應(yīng)是由磁致伸縮層和壓電層的"乘積效應(yīng)"產(chǎn)生的：在磁場(chǎng)的作用下，磁致伸縮層產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)變，此機(jī)械運(yùn)動(dòng)通過(guò)粘接層傳遞到壓電層，壓電層由于逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。這種磁電層合材料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備容易，而且磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)大，是一種自發(fā)電式的敏感材料，可以高效地實(shí)現(xiàn)磁能和電能之間的轉(zhuǎn)換。 本文首先對(duì)沿長(zhǎng)度方向振動(dòng)(Longitude-Transverse模式)的磁致/壓電層合材料的低頻磁電響應(yīng)進(jìn)行了理

2、論分析，其中磁致層沿長(zhǎng)度方向磁化，壓電層沿厚度方向極化。從壓電效應(yīng)和壓磁效應(yīng)本構(gòu)方程出發(fā)，結(jié)合材料的機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和電路狀態(tài)方程，推導(dǎo)了LT模式磁致/壓電層合材料的等效電路，完善了文獻(xiàn)[42]中的理論推導(dǎo)，得到了層合材料的磁電電壓系數(shù)、開(kāi)路電流、材料內(nèi)阻、可供電功率與壓電、磁致材料各物理參數(shù)以及體積參數(shù)之間的關(guān)系式。運(yùn)用這些關(guān)系式，討論了影響磁電層合材料磁電響應(yīng)特性的各主要因素。以Terfenol-D/PZT/Terfenol-D層合材

3、料為例，對(duì)材料磁電響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算并與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。 運(yùn)用等效電路法，進(jìn)一步對(duì)磁致/壓電層合材料諧振狀態(tài)下的磁電響應(yīng)進(jìn)行分析，得到了材料在諧振狀態(tài)下的磁電電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)理論計(jì)算公式。詳細(xì)地分析了磁致/壓電層合材料在諧振點(diǎn)附近的磁損耗、機(jī)械損耗、電損耗，并給出了各種損耗相應(yīng)的計(jì)算方法和大小。分析發(fā)現(xiàn)，諧振狀態(tài)下，材料的主要損耗來(lái)源于機(jī)械損耗，偏置磁場(chǎng)的大小對(duì)諧振磁電響應(yīng)有重要影響，此外Terfenol-D/PZT-8比T

4、erfenol-D/PZT-5H具有更高的諧振磁電電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)。 通過(guò)Terfenol-D/PZT-5H層合實(shí)驗(yàn)樣片制備，介紹了層合材料的制備方法及注意事項(xiàng)。構(gòu)建了磁電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)各實(shí)驗(yàn)部件的選用及設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了闡述。用動(dòng)態(tài)測(cè)試方法對(duì)所制備樣品進(jìn)行性能測(cè)試，在自行研制的測(cè)試裝置上對(duì)樣品的各種磁電特性進(jìn)行了測(cè)試。將實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)低頻磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算由于沒(méi)有考慮損耗，理論值是實(shí)際值的5～8倍左右，而對(duì)于