磁电复合振子PbZr_(0.48)Ti_(0.52)O_3/Tb_(0.3)Dy_(0.7)Fe_(1.92)的电容型磁阻抗效应

谐振频率及阻抗匹配是压电换能器中十分重要的参数.基于压电陶瓷圆环Pb Zr_(0.48)Ti_(0.52)O_3(PZT)和磁致伸缩材料铽镝铁Tb_(0.3)Dy_(0.7)Fe_(1.92)(TDF)构成"环-环"磁电复合振子,实验研究磁场作用下,由磁电复合振子的有效介电常数变化引起的电容型磁阻抗以及磁控谐振频率偏移效应.实验结果显示,谐振频率和反谐振频率下的磁阻抗可达18%、32%;当磁场为800 m T时,谐振及反谐振频率的最大偏移量约为9 k Hz.利用复合材料的磁-力-电耦合效应,对电容型磁阻抗及磁控谐振频率偏移进行了理论分析.本研究为解决压电换能器谐振频率的漂移问题及阻抗匹配提供了实验及理论基础.     

电容型磁阻抗效应的退磁因子影响研究

研究了室温下磁致伸缩材料的退磁因子对磁电复合振子磁阻抗效应的影响.设计了长方体和四方体两种磁致伸缩板与相同压电板构成磁电复合振子,在磁电复合振子谐振和反谐振频率下,研究了退磁因子对其磁阻抗、磁电容、磁电感的影响.在谐振频率下,磁电复合振子的阻抗、电容、电感随磁场的变化趋势基本相似,但磁致伸缩为长方体时,磁电复合振子的阻抗、电容、电感达到饱和所需磁场明显小于磁致伸缩为四方体的复合振子达到饱和所需磁场.在反谐振频率下,退磁因子对阻抗和电感随磁场变化的影响与谐振频率基本相同,但退磁因子对磁电容的影响行为明显不同,四方体的磁电复合振子电容在H=1 600 Oe和H=1 700 Oe之间出现震荡,磁电容高达44 000%,而长方体复合振子没有振荡现象.从磁学的观点,理论分析了退磁因子对磁电复合振子磁阻抗效应的影响,该研究为磁场传感器在低磁场探测方面提供了实验及理论基础.     

基于磁场传感器的层状磁电复合振子磁阻抗效应

运用磁电耦合理论及等效电路法对磁致伸缩/压电三层和五层磁电复合振子的磁阻抗效应进行了理论和实验研究.理论研究表明,由磁致伸缩导致的压电振子内应力的改变,引起磁电复合振子的磁阻抗效应.实验结果显示,无论是在磁电复合振子的谐振还是反谐振频率,五层磁电复合振子的磁阻抗明显大于三层复合振子的磁阻抗.利用等效电路分析了该实验结果,并运用复合材料磁电耦合的乘积效应解释了磁阻抗产生的原因.测试结果显示,在谐振和反谐振频率下,五层串联复合振子的磁阻抗ΔZ/Z最大值分别为46.9%和60%,而三层复合振子的磁阻抗ΔZ/Z最大值分别为13%和30.2%.由实验结果计算得出三层和五层磁电复合振子的磁分辨率分别可达2.2×10-10 T·μΩ-1和2.5×10-11 T·μΩ-1.研究结果为磁电复合振子在磁异常探测传感器中的应用提供了实验及理论基础,并有助于优化以层状磁电复合振子为核心的磁场传感器的结构.     

压电极化方向对磁电复合振子磁阻抗效应的影响

本文研究了压电体分别沿长度和厚度极化的磁电复合振子的磁阻抗效应.根据压电体的极化理论,在洛伦兹模型和德拜模型基础上,利用磁电耦合理论研究了磁电复合振子有效相对介电常数与磁场的关系,数值模拟了有效相对介电常数随磁场的变化.由磁电复合振子的磁阻抗与有效相对介电常数的关系,理论分析了磁电复合振子在谐振频率下的磁阻抗效应.在理论分析基础上,实验研究了"三明治"结构磁电复合振子的磁阻抗效应.实验结果表明,在谐振频率下,磁场在0～50 mT范围内,当压电体的极化方向为长度极化时,其磁阻抗随磁场的变化率是压电体厚度极化的22倍,实验结果与理论模拟基本吻合.在此基础上,对实验结果的磁分辨率进行了计算,在谐振频率下,压电体长度极化磁电复合振子的磁分辨率为2.76×10~(-12) T/μΩ,压电体厚度极化磁电复合振子的磁分辨率为78×10~(-12) T/μΩ,本研究为地磁场的探测提供了理论基础.     

磁电复合材料结构对磁电系数的影响

利用基于压电效应和磁致伸缩效应的本构方程,采用有限元法分别对矩形、半圆形、凸半圆形以及梯形4种不同几何形状的磁致伸缩/压电/磁致伸缩层叠复合材料的磁电响应进行研究,分析复合材料的磁电特性。结果表明:稳态时,两端为半圆形的磁电复合结构的输出电压最大,在外加直流磁场为1 000 Oe时可达76.25 V。频域分析中,两端为凸半圆形的磁电复合结构的共振频率最低,为76.5 kHz。在1 kHz时,两端为梯形结构的磁电复合结构磁电系数最大,为7.63 V/(Oe·cm),在共振时,磁电系数达到126.34 V/(Oe·cm)。进一步分析了磁电压电材料不同层叠顺序对半圆形结构复合材料磁电系数的影响,结果表明PTN层叠顺序的磁电复合结构的磁电系数最大,为5.48 V/(Oe·cm),而TPN层叠顺序型磁电复合材料的磁电系数最小,为1.64 V/(Oe·cm)。     

压电/压磁条环磁电复合材料的逆磁电效应

研究了压电/压磁条环磁电复合材料在弯曲谐振频率下的逆磁电效应(CME),其中压电材料为锆钛酸铅(PZT),压磁材料为镍锌铁氧体(NiZn ferrite).由于PZT与镍锌铁氧体环之间的机电耦合,该磁电材料在一阶弯曲谐振频率和一阶纵向谐振频率处的逆磁电系数明显大于非谐振频率处的逆磁电系数.在一阶弯曲谐振频率下,该磁电材料在H=190 Oe、E=200 V/cm测得较大磁感应强度(B_m≈2.13×10~(-5)G).B_m在-130 OeH130 Oe间呈现的磁滞现象源于镍锌铁氧体环压磁效应和PZT铁弹效应的共同作用.在H=0 Oe、±50 Oe,利用不同变化趋势下的磁场及周期性通断的交流信号实现了三稳态磁感应强度的转换.     

高温度稳定性磁电复合材料的制备及其性能

以锆钛酸铅(PZT)为压电相,分别以Ni和非晶铁合金(Metal-glass)为磁致伸缩相,采用焊接的方法制备了层状磁电复合材料Ni/PZT/Ni和Metal-glass/PZT/Metal-glass,并研究其在0~100℃范围内的磁电效应.结果表明,通过焊接复合得到的2种层状磁电复合材料都表现出良好的温度稳定性,在0~100℃范围内磁电电压系数基本保持恒定,有望用于高温磁电器件的设计.     

考虑非等长应变的磁电层合材料低频磁电响应特性

本文提出了一种考虑非等长应变的磁电层合材料低频磁电响应模型.该模型以剪切应力传递应变为基础,采用应力函数法分析了磁致伸缩层、压电层的应力和应变,利用粘接处的应变相等,求出了开路状态下磁电层合材料L-T模式的低频磁电响应特性.该模型能研究磁致伸缩材料的柔顺系数、压磁系数、层合比、压电材料的机电耦合系数、压电系数等参数对磁电电压系数的影响,并与等效电路法、两种考虑退磁场的等效电路法以及实验结果进行了对比研究.针对Terfenol-D/PZT/Terfenol-D的研究结果表明:理论结果与实验结果误差为5.42%,与其他方法相比,本文的结果与实验结果吻合得更好.     

谐振频率下Terfenol-D/Pb(Zr,Ti)O3层状磁电复合材料的常温巨磁电容效应

研究了Terfe0no1-D(TDF)/Pb(Zr,Ti)O3(PZT)三明治结构的磁电容效应.由于磁-力-电耦合机制,PZT受由磁场引起的应力作用,产生磁电容.结果显示,在偏置磁场1 600Oe、谐振频率46.15kHz和160.00kHz处,最大负磁电容分别可达65%和85%,在非谐振频率处负磁电容仅为5%.     

管道检测用圆弧形复合超声波振子设计

针对自主研发的球形管道检测器的定位需求,采用圆弧形压电陶瓷与检测器金属球壳本体相结合的方式,设计了一种圆弧形复合超声波振子.基于压电方程,采用直接耦合分析方法将机械参数和压电参数统一到同一个分析式中,对圆弧形压电陶瓷与金属球形壳体的耦合振动特性和机电能量转化效率进行理论分析.在此基础上,通过基于有限元的数值仿真方法对其进行模态分析和谐响应分析.经过分析可知:所设计的圆弧形复合超声波振子有两个明显谐振频率点,分别为52.1 kHz和76.2 kHz,而在76.2 kHz下的机械品质因素和有效机电耦合系数等性能指标均优于52.1 kHz,且主要振型为径向振动为主的有弯曲振动.经过对实际研制的圆弧形复合压电振子进行阻抗分析可见,实际主谐振频率为72 kHz,在不同工作频率下实际测量的驱动波形结果与仿真分析趋势一致.     

混合烧结磁电复合材料的研究

分析了单相材料性能及混合比对复合材料磁电效应的影响，探讨了混合烧结磁电复合材料的相分布。选取ｋ３３大的ＰＺＴ（Ｂ）为压电相、Ｎｉ（Ｃｏ，Ｍｎ）Ｆｅ２Ｏ４为磁致伸缩相，采用混合烧结法，获得了磁电转换系数（ｄＥ／ｄＨ）ｍａｘ达０．３１４２Ｖ／Ａ的磁电复合材料。     

外电场对层状复合材料磁电效应的影响

以Landau唯象热力学理论为基础，求得了与电场相关的压电相状态方程，结合磁致伸缩相状态方程和一定的边界条件，研究了外电场对磁电电压系数的影响．结果显示：用来极化铁电层的外电场对磁电作用有很大的影响，随着外电场的增大，横向和纵向的磁电电压系数将明显减小，从而有效分析了磁电电压系数实验值小于理论值的可能原因．     

Terfenol-D和Cymbal迭层器件的磁电耦合效应

报道一种由Terfenol-D(Tb1-xDyxFe2)和Cymbal组成的新型器件.在器件中Cymbal位于两片Terfenol-D之间.在横向极化和横向磁化的模式(T-T)下,其磁电电压系数在0.5kOe的偏置磁场作用下为41.0mV/Oe(1kHz),大于Terfenol-D/PZT/Terfenol-D结构的磁电电压系数.磁电电压系数提高的原因起源于具有高压电系数的Cymbal和高磁致伸缩系数的Terfenol-D之间的耦合.     

悬臂梁压电振子频率调谐和发电能力研究

研究了一种带末端质量块的悬臂梁压电振子的频率调谐能力。理论分析了悬臂梁压电振子的结构尺寸对压电振子谐振频率和发电能力的影响关系,并分别对长度调谐和质量调谐前后的压电振子发电能力进行实验测试和对比分析。结果表明,增加悬臂长度或末端质量可以降低压电振子的谐振频率,减少悬臂长度或末端质量可以提高压电振子的谐振频率,但为达到更好的发电效果,降频调谐时,应该采用质量调谐法提高压电振子的输出功率,而升频调谐时．应该采用长度调谐法提高压电振子的输出功率．     

超磁致伸缩超声换能器设计分析

基于超磁致伸缩材料设计了一种超声换能器,推导了超声振子的频率方程,并且用ANSYS有限元软件对换能器的关键部件进行了动力学分析,得到了关键部件的模态和谐响应特性,验证了设计方法的可行性.对振动系统进行了静态磁场和谐波磁场分析,结果表明:增加磁回路中导磁材料的磁导率可以增加超磁致伸缩棒的轴向磁场强度和磁场均匀度,但当材料的相对磁导率大于1 000时,轴向磁场强度和磁场均匀度的增加幅度逐渐趋于平衡;在高频激励下,超磁致伸缩棒呈现出了严重的电涡流效应,严重限制了其驱动性能,必须对超磁致伸缩棒进行处理.     

纵向极化与磁化的压电/磁伸材料磁电效应理论及实验

将磁致伸缩材料及压电材料的本构方程与运动方程相结合, 考虑到压电材料具有高输出阻抗特点及测试仪器的有限输入阻抗和传输信号引线电容对磁电效应输出电压的影响, 给出了纵向极化压电材料与纵向磁化的Terfenol-D 巨磁伸材料形成的磁电元件的磁电效应理论. 研制了由六根一维磁伸材料构成的磁电元件并对其磁电效应性能进行了测试. 与前人的理论结果比较可见考虑测试系统有限输入阻抗及电缆电容后建立的磁电效应理论与实验结果更吻合.传输信号的电缆电容及测试仪器输入阻抗对检测结果产生很大的影响,它可用于解释实际中检测到的电压远小于开路电压理论结果的原因.开路下纵向极化磁电元件磁灵敏度的理论值达6 V/Oe(1 Oe=79.6 A/m),而仪器实际检测到的磁灵敏度(电压转换系数)仅为数百毫伏每奥.     

Terfenol-D力—磁—热耦合动态特性

对超磁致伸缩棒材(Terfenol-D)在预压力、环境温度、交变磁场耦合作用下的磁致伸缩动态特性进行了比较全面的实验研究.给出了Terfenol-D动态响应磁致回线、动态应变、响应波形相位随着激励频率、预压力、环境温度、偏磁场的变化规律,找出了两个不同的共振频率,并发现了高阶共振频率随偏磁场发生"漂移"的现象,印证了磁场作用下Terfenol-D材料所特有的△E效应的存在.     

PZT在NZFO环状复合下的磁电容与磁电感

实验研究了室温(300 K)下的锆钛酸铅(PZT)与镍锌铁氧体(NZFO)环状复合结构磁电耦合效应。在谐振频率附近,环状复合的PZT的磁电容效应比层状结构的高出许多,且出现了负电容。实验引入PZT的等效模型与磁电感ML用于阐明PZT在谐振频率处,负电容产生的机理以及磁电容与磁电感具有互补的特性。     

磁致伸缩/压阻块状复合材料的磁阻性能研究

为了研究磁致伸缩/压阻块状复合材料的磁阻性能,采用Terfenol-D磁致伸缩材料和单晶硅压阻材料层状复合,制备了复合磁阻材料.使用霍尔测试系统在不同磁场下测试了因磁致伸缩材料形变而产生的应变传递给压阻材料、引起压阻材料体电阻率的变化.此外,为了测得更灵敏的体电阻率变化,在单晶硅片上溅射一层200 nm的钽薄膜,测试了因硅片的应变传递给钽薄膜时薄膜的电阻率变化.结果表明:1)采用Terfenol-D/单晶硅层状复合制备出的磁阻复合材料在0~0.40 T磁场变化时,电阻率变化为0.13%;2)采用Terfenol-D/单晶硅/钽薄膜层状复合制备出的磁阻复合材料在0~0.01 T磁场变化时,电阻率变化达到0.03%.结论:将磁致伸缩材料和压阻块材料复合在一起能成功制备出一种高性能的磁阻材料.     

La_(2/3)Ca_(1/3)MnO_3/LaMnO_3复合体系中颗粒间界对电磁输运行为的影响

将奈尔温度为145 K的反铁磁性绝缘体LaMnO_3作为第二相复合到La_(2/3)Ca_(1/3)MnO_3颗粒间界处,研究反铁磁性绝缘体对复合体系的电磁输运性质的影响.在(1-x)La_(2/3)Ca_(1/3)MnO_3/xLaMnO_3复合体系中,随着x增加,样品的金属-绝缘体转变温度Tp降低,峰值电阻增加.电输运行为表明:随着反铁磁性第二相LaMnO_3的引入,电子-声子散射以及电子-磁振子散射对输运行为的影响变大.在低磁场0.3 T下,相对于纯La_(2/3)Ca_(1/3)MnO_3,复合样品在金属-绝缘体转变温区附近的磁电阻大大增强;在高场3 T下,所有样品都存在着磁电阻平台现象,且复合样品的磁电阻值在低温区域都明显大于纯La_(2/3)Ca_(1/3)MnO_3的磁电阻值.