壓電-壓磁疊層復(fù)合材料換能特性研究.pdf

1、磁電材料在傳感器、換能器、存儲器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。壓電材料與磁致伸縮材料組成的疊層復(fù)合材料由于制備簡單、磁電轉(zhuǎn)換效率高，成為近些年的研究熱點(diǎn)。
　　分析磁致伸縮材料的磁彈性損耗特性，運(yùn)用磁彈性內(nèi)耗隨磁場變化這一性質(zhì)設(shè)計(jì)一種可進(jìn)行靜態(tài)磁場測量的磁電換能結(jié)構(gòu)。該換能器為由壓電/壓磁疊合而成的PZT8/Tenfenol-D/PZT8三明治結(jié)構(gòu)，以變壓器方式工作：其中的一層壓電片作為激勵層，另一層作為輸出層，當(dāng)激勵層輸入交流電壓時(shí)

2、，輸出層輸出相應(yīng)的交流電壓。根據(jù)輸出電壓幅值與靜態(tài)磁場的變化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對靜態(tài)磁場的探測。分析層合結(jié)構(gòu)在變壓器方式工作時(shí)的振動模式；推導(dǎo)了表征輸入輸出電壓關(guān)系的機(jī)電等效電路；得到了輸出電壓與機(jī)械品質(zhì)因素、激勵電壓的依賴關(guān)系；測量了輸出電壓與激勵電壓頻率、幅值關(guān)系；測試了不同激勵電壓大小時(shí)的磁靈敏度。以PMPMP五層層合結(jié)構(gòu)為例，討論了多層結(jié)構(gòu)中不同激勵方式和輸出連接方式對輸出電壓幅值的影響。實(shí)驗(yàn)表明：1）與彎振模式相比，縱振模式下輸出電壓

3、對靜磁場的探測能力更強(qiáng)；2）偏置磁場一定，激勵電壓為2Vpp時(shí)，縱振輸出電壓對靜磁場的靈敏度達(dá)22.6mV/Oe；3）輸入電壓越大，輸出電壓也越大，磁靈敏度也越大。
　　依據(jù)磁致伸縮材料的E?效應(yīng)，彈性模量可隨材料的應(yīng)力發(fā)生變化，利用該特性，研究了一種針對磁電層合材料的諧振頻率控制方法。以壓電/壓磁層合結(jié)構(gòu)PZT5/Tenfenol-D/PZT8為研究對象，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，用壓電驅(qū)動層的直流電壓調(diào)整磁電層合結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)變。由于諧振頻

4、率大小與其彈性模量有關(guān)，而彈性模量又隨應(yīng)力/應(yīng)變而改變，所以調(diào)節(jié)壓電層的直流電壓即可對諧振頻率進(jìn)行控制。分析了壓電驅(qū)動層直流電壓與磁電層合結(jié)構(gòu)端部的應(yīng)變關(guān)系。運(yùn)用壓電材料和磁致伸縮材料的本構(gòu)方程，分別得到了磁電層合結(jié)構(gòu)的一階縱振頻率及諧振磁電電壓系數(shù)與彈性模量的函數(shù)關(guān)系。分析應(yīng)力對彈性模量的影響，得到了可證明直流電壓對諧振頻率產(chǎn)生控制作用的公式。構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測試和分析了層合結(jié)構(gòu)的諧振頻率、磁電電壓系數(shù)以及兩者與壓電驅(qū)動層直流電壓之間的