闭环双相磁电材料的尺寸效应研究

Two phase magnetoelectric composites have a drimatically magnetoelectric magnetoelectric effect, and have a good candidate in sensor, transducer. To make a close-looped high voltage transmission transformer, FeGa, FeCoV were used as the magnetic material and BaTiO3 was used as the pizoelectric material. FeGa/BaTiO3、FeCoV/BaTiO3 structure was designed and the change of the magnetoelectric coefficient, frequence resonance, mechanical quality factor, output power depend on the lenth ratio of the two phase and the inner-outer diameter ratio will be studied. The equivalent circuit model of the structure will be designed to make the experiment phenomenon understood. Then a high voltage transmission transformer was fabricated.

双相磁电复合材料具有显著的磁电效应，在传感器、换能器领域具有广阔的应用前景。本项目拟以设计制备闭环状高压输电互感器为研究目标，以高机械品质因数的FeGa和高饱和高饱和磁化强度的FeCoV作为磁性相，无铅BaTiO3作为压电相，构造一种灵敏度高、耦合性能好、满足环保要求的FeGa/BaTiO3、FeCoV/BaTiO3闭环双相磁电复合材料。通过改变FeGa/BaTiO3、FeCoV/BaTiO3闭环样品的厚度比、内径和外径，研究其磁电电压系数、谐振频率、机械品质因数、最大输出功率等磁电性能与闭环层状磁电复合材料厚度比、内径-外径比之间的关系。借鉴片状双相磁电复合材料的研究结果，根据等效电路法建立环状复合结构的等效电路模型，充分考虑材料界面损耗等问题，解析FeGa/BaTiO3、FeCoV/BaTiO闭环结构的厚度比、内径-外径比对磁电性能的影响，进而构建高压输电互感器。

随着社会的发展和科技的进步人们对功能材料的要求已经从具有机、电、磁、光、热等直接效应发展到具有由直接效应交叉耦合产生的集成效应。多铁性材料因同时具有两种以上基本铁性以及铁性间的耦合效应而被广泛关注，尤其是由磁性相和压电相构成的两相层合磁电材料，是近几年的研究热点。本项目采用闭环方式消除退磁场以提高层合磁电材料材料的磁电性能，促进两相层合磁电材料的应用开发，主要研究内容和取得的结果如下：.（1）利用感应熔炼和区域熔炼方法制备新型磁致伸缩材料FeGa合金和高饱和磁化强度材料FeCoV合金作为磁性相，采用不含污染元素铅的钛酸钡和具有高压电系数的铌镁酸铅（PMN-PT）、锆钛酸铅（PZT）作为压电相制备层合磁电材料。根据动态测量原理，搭建磁电系数测量系统并结合x射线、SEM、金相显微镜以及标准应变片法等手段对复合材料的性能进行表征。.（2）研究了FeCoV/PMN-PT两相层合磁电材料的磁电现象、共振频率、体积分数的影响并利用相关理论进行了解释。制备了以PMN-PT薄片为衬底的FeCoV/PMN-PT/FeCoV和Ni/PMN-PT/Ni三明治薄膜结构，发现FeCoV/PMN-PT/FeCoV结构的磁电效应比Ni/PMN-PT/Ni结构高5倍，更适合制备实用磁电器件。.（3）由理论推导得出材料的磁致伸缩系数与磁场的比值越大磁电性能越高的结论，实验结果表明：闭环FeGa碟片的比值比FeGa棒材的比值大5倍，闭环磁电材料的磁电系数比实心碟片磁电材料高约4倍。.（4）利用复合材料的加和性能和环状压电陶瓷的振动模式并结合等效电路法得到闭环两相复合磁电材料的共振频率表达式，计算结果与实验结果一致。.（5）研究了在纯电阻负载下，闭环层合磁电材料的磁电效应变化和输出功率变化规律，为制备性能最优的实际器件提供了依据。.（6）采用ansoft软件仿真狭缝宽度对环状磁电材料的磁性相的影响，发现随着狭缝宽度的增加，材料的磁化强度减小。实验结果表明，狭缝宽度增加，样品的退磁场增加，磁电效应下降。闭环样品的磁电效应小于具有小狭缝的样品，是因为边界条件不同所致。总结了影响层合磁电材料磁电系数的影响因素，为设计器件提供了理论支持。