層狀磁電裝置的性能優(yōu)化及構型設計.pdf

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

2、環(huán)境溫度和結構構型入手，建立了磁電效應多場耦合模型，優(yōu)化了層狀磁電裝置性能，同時提出了U型磁電裝置。具體內容包括：
　　首先，本論文基于彈性力學法，建立了的考慮磁場角度的層狀磁電效應模型，并對不同磁場角度下的磁電效應進行了理論預測，其預測結果與現有實驗吻合較好。結果表明，磁場角度對磁電轉化效率影響顯著。當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，直流磁場值越大，最優(yōu)角度越大。當交流

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對應的最優(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，裝置在共振頻率的磁電轉換效率大致為低頻下的100倍，且轉換效率隨磁場角度的變化規(guī)律保持不變。本論文結果表明，在實際生產設計中，最好的磁電器件設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，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模型。利用該模型得到的壓磁系數隨直流磁場的變化規(guī)律與現有的實驗結果保持一致。其預測結果顯示，在較低的預應力作用下（大約<50MPa），磁電轉換效率隨著溫度升高而減弱，而在較大的預應力作用下，則會隨著溫度升高而增強，但整體而言，較低的工作溫度和較小的預應力更有利于功能梯度型自偏磁電裝置的磁電轉換。
　　最后，本論文從結構構型設計角度出發(fā)，提出了U型磁電裝置，并首次建立了該構型的理論

5、模型。結果表明，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。同時，實驗結果顯示，當共振頻率為91kHz時，裝置獲得1.3V/cmOe的最大磁電轉換效率，而在低頻磁電系數也可達到0.225V/cmOe。
　　總之，本論文從磁場角度、環(huán)境溫度和結構構型入手，完善和發(fā)展了磁電效應多場耦合模型，并提出了 U型磁電裝置。本文的理論分析、數值仿真以及實驗工作豐富和發(fā)展了多場耦合磁電效應理論，同時也對層狀磁電裝置的技術改進和實際