L-L模式和S-S模式磁电层状复合材料的性能研究及优化设计

In the field of new functional materials, direct and converse magnetoelectric effects are two important phenomena in laminate magnetoelectric composites. Although a lot of researches have been done, there is less report in L-L mode and S-S mode, especially in the S-S mode due to its complex theory and high resonance frequency. In this project, two types of L-L mode and S-S mode magnetoelectric laminate composites are proposed to purpose high magnetoelectric coupling coefficient, high magnetic field sensitivity and high output voltage. Firstly, the analytical theory of the magnetoelectric composite is developed on the base of the plane-stress, strain and the motion equation by using the nonlinear magnetostrictive constitutive equations and linear piezoelectric constitutive equations. The magneto-mechanical-electrical equivalent circuit is built for the magnetoelectric composite. The dependences of direct and converse magnetoelectric effects on the performance parameters, material geometry, bias magnetic field, pre-stress and interfacial coupling parameters are studied further on the base of the equivalent circuit. Secondly, numerical method is employed to analyze the relationship between the magnetoelectric output and the performance parameters, geometry, pre-stress. Then, the optimal design are determined to achieve the best output. Finally, the direct and converse magnetoelectric effects are measured with the magnetoelectric testing system. This research will provide theoretical basis and experimental data for optimizing devices.

在新型功能材料领域，正、逆磁电效应是磁电层状复合材料的两个重要现象，虽有大量研究，但L-L模式和S-S模式研究相对薄弱，尤其S-S模式理论复杂、频率太高，研究更少。本项目提出正应力应变产生的L-L模式及剪切应力应变产生的S-S模式磁电层状复合材料，目的是实现高磁电耦合系数、高磁场敏感度及高电压输出等优点。根据磁电材料性能及振动模式，首先，探讨解析理论，基于平面应力应变、运动方程及边界条件，采用非线性磁致伸缩本构方程和线性压电本构方程，推导出磁-机-电等效电路。据此研究材料性能参数、尺寸、预应力及界面耦合参数等对正、逆磁电效应的影响。其次，利用数值模拟对正、逆磁电效应的输出量与性能参数、几何尺寸及预应力等关系探讨分析，并进行优化设计。最后，利用自主搭建的磁电材料性能测试系统，测量正、逆磁电效应随偏置磁场、材料性能参数及预应力等变化关系。通过上述分析，为此类材料的优化设计提供理论及实验数据。

利用牛顿定理建立的运动方程，根据压电和压磁本构方程，建立了L－L模式纵向磁化与极化叠层复合材料的正、逆磁电系数的计算公式，推导了正、逆磁电效应的磁机电等效电路。不仅可以获得正、逆电效应随频率的变化关系，同样的方式，还能求出逆磁电效应随频率的变化曲线;同时，该计算公式还能研究压电材料参数或磁致伸缩材料参数对正、逆磁电效应的影响。从实验结果可以看出L-L模式磁电材料的理论结果与实验结果基本一致，具有更高的电压输出和逆磁电系数。. 由于剪切模式结构需要的边界条件比较苛刻，谐振频率比较高，给实验研究带来困难；压电相和磁致伸缩相剪切振动偏微分方程比较复杂，给S-S模式磁电复合材料的理论分析增加了很大难度。. 首先，基于L-L模式的推导过程，在压电材料和压磁材料等效电路的基础上，两端自由，相当于力为0，也就是电学的短路；两端固定，相当力为∞，也就是电学的开路。对于MPM三层结构，上层TD，上端固定，下端与压电层的上端相连；下层TD，下端固定，上端与压电层的下端相连。注意连接面，三层材料间力的传递相当于电路的串联，就可以得出磁机电等效电路。由于磁电材料在振动过程中，因为振动中心对称，中间的面是固定不动的，所以可以分析模型的一半进行求解。若以上半部分为例，即TD的上端固定，下端连接PZT上端，PZT下端也就是中心面固定。可以发现由于压电片只是分析了原来的一半，所以参数有变化，但是对于正逆磁电系数经过验证，所得结果与原模型是相同的。通过等效电路，可以推导出S-S模式磁电材料的正、逆磁电系数。其次，由于剪切模式结构需要的边界条件比较苛刻，谐振频率比较高，实验装置是实验的关键一环。用机械强度高、绝缘性好，耐热、耐腐蚀的电木作为装置材料，初步设计了实验，能够做部分测试。结果表明，剪切模式具有较高的正磁电效应和逆磁电效应正磁电效应和逆磁电效应系数，与伸缩振动的磁电复合材料相比，剪切模式具有显著的场灵敏度和较高的共振频率。