铁磁/压电复合结构中的巨磁力矩磁电效应开题报告
2020-05-01 08:40:18
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
1. 磁电效应
1.1 经典磁电效应
磁电效应包括两部分，磁场电效应和狭义的磁电效应。磁场对通电流的介质所引起的效应称之为磁场电效应；在介的外部增加一个电场改变其磁学性质，亦或在介质的外部增加一个磁场来改变电学性质的效应，称之为磁电效应。[1~3]
磁电复合材料，即将磁致伸缩材料和压电材料复合而成的材料，能够表现出很强烈的磁电效应。其原理为在磁致伸缩相发生的磁力耦合和在压电相发生的力电耦合，经过相界面应力传递作用再相互发生耦合，即磁致伸缩效应及压电效应经过乘积效应协同作用实现磁电效应：
为使获得较好的磁电效应，层合磁电复合材料应尽可能采用压电系数和磁致伸缩系数较大的材料。压电相通常使用PZT压电陶瓷，其原因是它具有压电性能优良的特点，且价格相对比较便宜；而磁致伸缩相使用较为广泛的是超磁致伸缩稀土合金材料(Tb0.3Dy0.7)Fe2(Terfenol-D)，不过其成本相对较高。[4~9]目前，许多研究以Terfenol-D为基础的层合磁电材料为研究对象，大部分的磁电电压系数都在400～5000 mV/cmOe。
目前研究较多的磁电复合材料结构包括：混合相，板复合材料，梯度复合材料和异型结构复合材料。[10~15]
1.2 磁力驱动磁电材料
由铁磁相和铁电相组成的混合相和板状复合材料中的磁电效应在很大程度上依赖于所涉及的铁磁相的磁致伸缩效应。然而，自20世纪50年代观察到稀土铁磁合金中的超磁致伸缩效应以来，磁致伸缩效应并没有取得多大进展，使得依赖于磁致伸缩效应的磁电效应难以得到很大改善。[16]另一方面，界面耦合的性质极大地影响了复合材料中的磁电效应，不易控制。所有这些因素都阻碍和限制了复合磁电效应的进一步的增强及其应用。因此，开发独立于磁致伸缩效应的磁电装置已成为磁电效应研究的重要方向。最近，Ru Zhang等利用高磁导率铁氧体之间较强的磁力驱动压电片振动，实现了较强的磁力驱动磁电效应。[17-18]
1.3 磁力矩磁电效应
Z.X.Ping等提出一种压电片/永磁体复合结构，在外加交流磁场作用下，永磁体产生的磁力矩驱动压电片发生形变，得到了巨磁力矩磁电效应。[19]其结构如图1所示，沿着压电双晶片长度施加的外部磁场将与附着在自由端的永磁体相互作用，该相互作用将在PZT双晶片上产生一个力矩，如图2所示，该力矩驱动压电悬臂梁发生形变，通过机电耦合导致电压输出。这种磁电效应是由磁磁耦合、磁机械耦合以及机电耦合引起的复杂耦合。除此之外，所附着的磁铁还作为尖端质量负载，进一步降低了共振频率，[19~20]在极低频率下提供谐振增强磁电效应。
图1 PZT双晶片/永磁体NdFeB复合结构[19]
图2 磁力矩磁电效应的工作机制[19]
2. 影响磁力矩磁电效应的主要因素
与经典的复合材料磁电效应类似，影响磁力矩磁电效应的主要因素包括：（1）交流磁场频率。在机电谐振区，压电片形变最强，电压输出最大。而器件的谐振频率与压电片的工作模式有关，一般来说，弯曲谐振频率要低于拉伸模式下的谐振频率，更有利于器件的实际应用。对于无夹持模式下振动的悬臂，弯曲共振频率(fn)为：
其中d是层压板的厚度，l是长度，ρ是平均密度，以及s22是其等效弹性柔顺系数；且在这里β1=0.597，β2=1.494，以及对于ngt;2，βn≈(n-0.5)，其中n是弯曲模式的阶数。（2）永磁体的剩余磁化强度。永磁体的剩余磁化强度越大，磁力越大，磁电效应越显著。（3）压电片的压电效应。压电系数越大，输出的压电电压越大。
3. 制备磁力矩磁电器件的常用材料
3.1 压电材料
压电效应，即在没有外部电场的作用时，因为机械应力从而引发电介质晶体极化同时表面产生电荷的现象。[21]
压电材料主要是分为三种，压电陶瓷、压电晶体和压电聚合物。其中应用最广泛的为压电陶瓷，典型的压电陶瓷有钛酸钡和锆钛酸铅(简称PZT)。其特点是：致密度大、易于加工、机械强度高以及适合批量生产。
图3为在压电材料中的压电效应原理图。当材料受到外力T作用时，发生形变，在表面出现电荷积累，这是正压电效应，它将机械能转化为电能；而当它受到电场E作用时，晶体产生机械形变，这是逆压电效应。
图3 压电效应原理
3.2 磁性材料
磁性材料是一种应用广泛、品种繁多的材料，大体上可以分为两类，一是铁磁有序的金属磁性材料，另一种则为亚铁磁有序、具备半导体性质的非金属磁性材料。进一步细分，则可以从物理性质、化学组成、维度以及应用等分类，如表1所示。
表1 磁性材料分类
|
物理性质 |
(1)按静磁特性：永磁属高矫顽力一类磁性材料；软磁属低矫顽力的一类磁性材料；矩磁属高剩磁、低矫顽力的一类磁性材料；磁记录介质属于中等矫顽力同时，具有高磁剩的一类磁性材料，而磁头却要求低矫顽力、高饱和磁化强度。 (2)按交叉耦合效应：分为磁光、磁热、磁致伸缩、旋磁、吸波材料。 按反常霍尔效应：分为铁电/铁磁、巨磁阻抗材料等。 (3)按与自旋相关的输运性质：有自旋电子学材料。 |
|
化学组成 |
可分为金属(合金)、无机(氧化物)、有机化合物以及其复合磁性材料。 |
|
维度 |
可分为纳米(零维、一维、二维)、颗粒膜、非晶、纳米微晶、块体磁性材料。 |
|
应用 |
可分为永磁、软磁、磁记录、旋磁、磁致伸缩、磁传感器、隐身、磁制冷等材料。 |
对于实现磁力矩磁电效应，所用磁性材料为永磁体。目前使用最广泛的强磁力永磁体是NdFeB。NdFeB永磁材料是由铁、硼和稀土钕、镨、镝等元素构成的合金，具有高矫顽力、成本低、高剩磁、质量轻等特性，被誉为”磁王”，是迄今为止性价比最高的磁体材料。
参考文献：
[1] Fie big M. J Phys D: A ppl Phys. 2005, 38: R123.
[2] Eerenstein W, Mathur N D, Scott J F. Nature. 2006, 442: 759.
[3] Spaldin N A , Fiebig M. Science, 2005, 309: 391.
[4] van den Boomgaard J, Born R A J. A sintered magnetoelectric composite material BaTiO3-Ni(Co,Mn)Fe3O4[ J]. J Mater Sci, 1978, 13: 1538- 1548.
[5] Shi Z, Nan C W, Zhang Jie, Cai N, Li J F. Magnetoelectric effect of Pb(Zr,Ti)O3 rod arrays in a(Tb,Dy)Fe2/epoxy medium[J]. Appl Phys Lett, 2005, 87(1): 012503.
[6] Srinivasan G, Rasmussen E T, Gallegos J, Srinivasan R, Bokhan Yu I, Laletin V M. Magnetoelectric bilayer and multilayer structures of magnetostrictive and piezoelectric oxides [J]. Phys Rev B, 2001, 64(21): 214408- 214413.
[7] Ryu J, Priya S, Carazo A V, Uchino K. Effect of the magnetostrictive layer on magnetoelectric properties in lead zirconate titanate/ Terfennol-D laminate composites[J]. J Am Cera Soc, 84: 2905- 2908.
[8] Dong S X, Li J F, Viehland D, Cheng J, Cross L E. A strong magnetoelectric magnetostrictive- piezoelectric composite[ J]. Appl Phys Lett, 2004, 85(16): 3534- 3536.
[9] Wan J G, Li Z Y, Wang Y, Zeng M, Wang G H, Liu J M. A strong flexural resonant magnetoelectric effect in Terfenol- D/ epoxy- Pb(Zr,Ti)O3 bilayer[ J]. Appl Phys Lett, 2005, 86 (20): 202504.
[10] W. Eerenstein, M. Wioral, J. L. Prieto, J. F. Scott, and N. D. Mathur, Nat.Mater. 6, 348 (2007).
[11] N. A. Spaldin and M. Fiebig, Science 309, 391 (2005).
[12] C. W. Nan, M. I. Bichurin, S. X. Dong, D. Viehland, and G. Srinivasan,J. Appl. Phys. 103, 031101 (2008).
[13] U. Laletin, G. Sreenivasulu, V. M. Petrov, T. Garg, A. R. Kulkarni, N.Venkataramani, and G. Srinivasan, Phys. Rev. B 85, 104404 (2012).
[14] N. Zhang, V. M. Petrov, T. Johnson, S. K. Mandal, and G. Srinivasanc,
J. Appl. Phys. 106, 126101 (2009).
[15] W. Eerenstein, N. D. Mathur, and J. F. Scott, Nature (London) 442, 759 (2006).
[16] R. Rhyne and D. Legvold, Phys. Rev. 138, A507 (1965).
[17] R. Zhang, L. Jin, G. J. Wu, and N. Zhang，Magnetic force driven magnetoelectric effect in Mn-Zn-ferrite/PZT composites，Appl. Phys. Lett. 110, 112901 (2017)
[18] R. Zhang, G. J. Wu, and N. Zhang，Magnetic force driven magnetoelectric effect in bi-cantilever composites，AIP Advances 7, 125214 (2017)
[19] Zengping Xing, Jiefang Li, and D. Viehland, Appl. Phys. Lett. 93, 013505 (2008)
[20] M. G#252;rgouml;ze, J. Sound Vib. 190, 149 (1996).
[21] M. G#252;rgouml;ze, J. Sound Vib. 105, 443 (1986).
[22] 陈艾. 敏感材料与传感器. 北京: 化学工业出版社, 2004.
2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
本课题将设计一种新型结构的磁力矩磁电效应器件，并研究其中磁电效应的频率响应特性，永磁体位置对磁电效应的影响等。
拟采用的手段为：首先设计制备实验所需样品，然后利用锁相放大器测量其中磁电效应的频率响应特性，并改变永磁体的位置重复测试，最后对测得的结果进行定性和定量的讨论和分析，得到的结论用以指导该器件的进一步优化设计。
