磁電復合材料的制備及其性能研究.pdf

1、目前，人們所研究的磁電復合材料主要存在以下幾個問題。第一，界面情況對層狀磁電復合材料的磁電效應起著至關重要的影響。但是，目前層狀磁電復合材料的制備方法如黏結法和電鍍法等都不可避免的引入中間層，影響了磁致伸縮層和壓電層之間的磁電耦合。第二，在1至150 kHz內，彎曲振動模式的兩層磁電復合材料一般具有兩個諧振頻率，但是其諧振磁電電壓系數(shù)只能一個大，而另一個相對較小。第三，目前所研究的非界面結合型磁電復合材料的結構都過于復雜，不利于制備實際

2、器件。針對以上幾個問題，本文以制備出具有巨磁電效應的磁電復合材料為目標，采用化學鍍法制備出了磁致伸縮相和壓電相直接結合且兩相達到足夠厚度的Ni/PZT/Ni層狀磁電復合材料，消除了中間層的影響，實現(xiàn)了理想的磁電耦合；采用化學鍍和黏結法制備出Ni/PZT/TbFe2負磁致伸縮/壓電/正磁致伸縮結構的層狀磁電復合材料，獲得了兩個明顯的諧振峰；采用黏結法制備出非界面結合型磁電復合雙矩形框結構和兩端結合型磁電復合結構，簡化了結構，有利于器件制備

3、。
　　 本文首先分析化學鍍鎳的熱力學可能性和反應機理，以化學鍍工藝參數(shù)如鍍液pH值、溫度等為切入點，研究化學鍍鎳的熱力學與動力學過程及其對鍍鎳層顯微組織的影響，進而研究鍍鎳層組織對鍍層磁性能和磁致伸縮性能的影響規(guī)律，以三層磁電復合材料為例研究影響化學鍍熱力學與動力學過程的鍍液pH值與溫度等工藝參數(shù)對磁電復合材料的磁電性能的影響規(guī)律。結果表明，在合理的工藝參數(shù)范圍內，在PZT表面化學鍍純Ni是完全可行的；影響化學鍍熱力學與動力學

4、過程的工藝參數(shù)如鍍液pH值和溫度等的升高，使得形核率提高、擴散加快，有利于細化鍍層晶粒和提高沉積效率，進而改善鍍層的軟磁性能，提高鍍層的磁致伸縮系數(shù)，最終獲得了具有更好的磁電性能的磁電復合材料。
　　 其次，利用化學鍍制備了三層和五層平板狀、三層弧形、三層圓環(huán)等結構的磁電復合材料，研究了尺寸、界面情況、曲率和形狀等結構因素對層狀磁電復合材料的磁電性能的影響規(guī)律。結果表明，隨著長度或圓環(huán)直徑尺寸的增加，磁電電壓系數(shù)升高而諧振頻率減

5、??；隨著界面粗糙度的增加，化學鍍制備的磁電復合材料的磁電電壓系數(shù)逐漸增大；隨著界面的增加，磁電復合材料的磁電性能減弱；隨著圓弧半徑的增加(曲率的減小)，磁電電壓系數(shù)逐漸增大，而諧振頻率逐漸減小；由于Ni環(huán)的電磁感應效應與PZT環(huán)的壓電效應耦合產生壓感效應，在高偏置磁場下，軸向模式的圓環(huán)狀磁電復合材料的諧振磁電電壓系數(shù)隨著偏置磁場的增加而持續(xù)增大。
　　 第三，本文將負磁致伸縮材料Ni、正磁致伸縮材料TbFe2和壓電材料PZT制備

6、成負磁致伸縮/壓電/正磁致伸縮結構三層磁電復合材料，通過與兩層和三層傳統(tǒng)磁電復合材料進行對比分析，研究其磁電性能。結果表明，Ni/PZT/TbFe2三層磁電復合材料出現(xiàn)兩個比較大的諧振峰，TbFe2層增強了一階彎曲諧振峰而Ni層增強了一階平面聲波諧振峰，其工作機制是一種加強型的彎曲振動機制；隨著Ni層厚度的增加，TbFe2層所控制的一階彎曲諧振峰值變化不大，而Ni層所控制的一階平面聲波諧振峰值逐漸增大；一階彎曲諧振頻率和一階平面聲波諧振

7、頻率也隨Ni層厚度的增加而逐漸增大。
　　 本文還設計了非界面結合型磁電復合雙矩形框結構和兩端結合型磁電復合結構，并研究了其磁電性能。結果表明，對于磁電復合雙矩形框結構，正、負磁致伸縮相對其磁電性能影響很大，PZT層的尺寸對諧振頻率和諧振磁電電壓系數(shù)都有著很大的影響，而TbFe2層的尺寸只對諧振磁電電壓系數(shù)有著顯著影響，對諧振頻率的影響不大；對于兩端結合型磁電復合結構，其理想狀態(tài)下的磁電電壓系數(shù)只受體系材料特性和結構尺寸的影響，

8、磁電電壓系數(shù)與頻率的關系圖中出現(xiàn)多個諧振峰；受結構參數(shù)的影響，TbFe2/PZT/TbFe2層狀磁電復合結構的磁電電壓系數(shù)和諧振頻率都小于PZT/TbFe2/PZT層狀磁電復合結構中的值；兩端結合型PZT/TbFe2/PZT層狀磁電復合結構在第三彎曲諧振頻率fr=69.5 kHz時，αE，31得到最大諧振峰值9.9 V·cm-1·Oe-1，而在第一平面聲波諧振頻率fr=85.5 kHz時，αE，31得到最大諧振峰值10.5 V·cm-1