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摘 要

本论文主要研究了Ni-PZT-Ni圆柱环状磁电复合材料的制备及其频率响应特性。Ni-PZT-Ni圆柱环状磁电复合材料是一类新颖的多功能材料，具有许多潜在的运用，不仅具有电、磁特性,而且电、磁之间存在相互耦合作用即磁电效应。基于目前己有的工作基础,本论文制备了圆柱环状磁电复合材料以获得较高的磁电性能,进行了深入的实验和理论研究。

第一：研究了Ni-PZT-Ni圆柱磁电复合材料的化学镀制备方法，探索了制备过程中各种参数对样品形貌特征和磁电性质的影响。

第二：基于压电相和磁致伸缩相材料的本构方程，和连续介质的运动方程，采用弹性力学的方法建立了圆柱环状磁电复合材料磁电系数的频率响应模型，讨论了几何参数，体积分数对谐振磁电效应的影响，并比较了三层和双层环状结构的频率响应特征。理论结果与实验结果符合的很好。

本文的研究结果对于磁电器件的设计具有一定的理论价值和指导意义，可以通过选择合适的压电和磁致伸缩材料，优化几何尺寸获得较强的磁电效应和合适的谐振频率。

关键词：频率响应特性；圆柱环状磁电复合材料；磁电效应

Preparation of Ni-PZT cylindrical layered composites and research of frequency response of magnetoelectric effect

ABSTRACT

This paper will focus on the preparation of Ni–PZT cylindrical layered composites and research the frequency response of its magnetoelectric effect. Ni–PZT cylindrical layered composites are novel multi-functional materials with many potential applications. They have not only ferroelectric and magnetic properties, but also the magnetoelectric effect produced from coupling interaction between electric and magnetic orders. Based on our previous researches, we performed deep experimental and theoretical investigations on Ni–PZT cylindrical layered composites consisting of piezoelectric ceramics and magnetostrictive alloy.

Firstly, we prepared Ni–PZT cylindrical layered composites with chemical deposition method, and studied the effect of preparation parameters on the morphology and magnetoelectric effect of the composites.

Secondly, a theoretical model for the frequency response of magnetoelectric (ME) effect in thin cylindrical piezoelectric-magnetostrictive composites is presented by using constitutive and elastodynamic equations. The effect of geometric size and volume fraction on the resonant effect in cylindrical ME composites was discussed. We also compared the resonant ME effect in bi-layered and tri-layered cylindrical composites. The theoretical results are in good agreement with experimental results.

Our model shows that one can obtain strong ME effect and proper resonance frequency by selecting suitable materials and optimizing its geometry structure for the cylindrical composite structure.

Key words: Frequency response；Ni–PZT cylindrical layered composites； Magnetoelectric Effect

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 III

第一章 引言 1

1.1 磁电效应 1

1.2 磁电复合材料 2

1.3 化学镀 2

1.4 本文的目的和任务 2

第二章 圆柱层状磁电复合材料磁电系数频率响应的理论模型 5

2.1 压电相和磁致伸缩相振动位移^PU(r)和^mU(r)表达式的推导 5

2.2 双层圆柱环状磁电复合结构磁电电压系数表达式的推导 7

2.3 三层圆柱磁电复合材料磁电电压系数表达式的推导 11

第三章 结果与讨论 14

3.1 偏置磁场为H_DC=270Oe的_E.A和_E.V 的频率响应特性 14

3.2 Ni-PZT-Ni圆柱环状样品谐振频率和谐振磁电系数随几何尺寸的变化关系 16

3.3 Ni-PZT-Ni三层圆柱复合材料的高阶谐振磁电效应 18

3.4 Ni-PZT双层圆柱复合材料磁电系数_E.A和_E.V 的频率响应 19

第四章 小结与展望 20

4.1 完成的主要工作 20

4.2 进一步的工作展望 20

参考文献 22

致谢 24

第一章 引言

1.1 磁电效应

磁电效应，即材料在外加磁场作用下产生电极化或者在外加电场作用下产生诱发磁化的现象[1]，用来表示其强度，其中为磁电转换系数。此外，通常人们用磁电电压系数_E来表征磁电材料磁电转换效应的物理量，和其关系是。这类具有磁电效应的材料可以实现磁场能量与电场能量之间的转换，是一种重要的功能材料。早期发现的具有磁电效应的材料是单相材料(Cr₂O₃，BiFeO₃等)，但它们的居里温度远低于室温，而且磁电效应非常弱，这增加了用单相材料制造应用器件的难度[2]。后来一种将磁致伸缩材料与压电材料结合成磁电复合材料的方案被提了出来。复合材料的磁电效应是一种乘积效应：施加于复合材料上的磁场在磁致伸缩相产生应变，该应变传输到压电相即产生电极化[3]。复合材料具有很高的居里温度，且能获得理想的磁电效应，所以在微波领域，宽波段磁探测，磁场感应器和灵敏传感器等领域，它有着广泛而重要的用途。不同组分、构型、制备方法相继出现在实验领域；然而在理论方面，对磁电效应产生根源的深入理解、对影响磁电效应因素的具体分析这类工作，都已经将磁电复合材料的研究带到了新的高度。

选取的磁电复合材料的组分材料直接决定了复合材料所产生磁电效应的强弱。在以前的实验研究中，只有一种是使用热释电材料和磁致伸缩材料作组分[4]，其它几乎所有研究都是用压电材料和磁致伸缩材料作组分材料。具有创造性的BaTiO₃/CoFe₂O4实验成功之后，人们又对一系列钛酸盐/铁氧体的复合材料[5-8]进行了研究。具有强压电性能且经济实用的PZT通常被用作压电材料, 而除了铁氧体被选取为磁致伸缩材料外，Terfenol-D也是很好的选择，因为其具有强磁致伸缩性能。因此，迄今为止，使用频率最高的复合材料是PZT/ferrite 与 PZT/ Terfenol-D[2,9-14]。当然也有含其他组分的料料存在关于重掺杂的钛酸盐/铁氧体的复合材料如Ba_0.8Pb_0.2TiO₃/CuFe_1.8Cr_0.2O₄ [15]。在实验上，Ba₄Ti₃O₁₂ [2]、聚偏二氟乙烯（PVDF）[16]、X = Mg，Zn还被选用为压电相组分。此外，LiFe₅O₈，YIG和波明德合金可供选用为磁致伸缩组分。

1.2 磁电复合材料

磁电材料是一类新颖的多功能材料,具有许多潜在的应用,不仅具有电、磁特性,而且电、磁之间存在相互耦合作用即磁电效应。

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