磁电功能材料性能测试技术及其层复合元件研究

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作为一种新型功能材料,压电材料和磁致伸缩材料因具有铁电性、铁磁性、压电性、介电性等诸多特性,被广泛应用于无损检测、信息存储、制冷、光催化、变压器、声纳等器件的研发。并且由二者构成的磁电复合材料,因其同时具备压电和磁致伸缩材料的耦合特性,在传感器、微波器件、存储器等诸多领域具备应用前景。磁电功能材料作为一种同时具有力、电、磁性能的特殊功能材料,不仅要关注其力学性能,还要充分明晰其压电、介电、压磁、磁弹、磁电等物理性能。因此,全面获取磁电功能材料在多场耦合下的压电系数、压磁系数、弹性系数、电滞回线、磁滞回线等材料性能参数,对于磁电功能材料的应用和研究具有重大意义。本文主要从磁电功能材料性能测试技术出发,具体研究以下内容:(1)压电材料的综合性能测试针对典型压电材料锆钛酸铅(PZT)、钛酸铋钠(BNT),通过自主搭建的压电材料综合性能测试装置来对二者的电滞回线、蝶形曲线及其他关键性能参数开展详细测试与研究工作。结果表明BNT的饱和电场大约是PZT的两倍,二者的饱和电极化强度都在0.34C/m~2左右。利用超声共振测试装置对PZT、BNT的弹性系数矩阵进行测量,二者的弹性系数较为接近。采用d33测量仪配合自制的d15夹具、介温谱仪对PZT、BNT的压电系数、相对介电常数进行测量。(2)磁致伸缩材料的综合性能测试针对代表性的磁致伸缩材料FeGa合金和Terfenol-D,利用自主搭建的磁性材料综合性能测试装置、超声共振测试平台,测量了FeGa合金和Terfenol-D的压磁系数和相对磁导率随直流偏置磁场的变化,FeGa合金的压磁系数最大值为19nm/A,Terfenol-D的压磁系数最大值为26nm/A。另外通过实验装置获取了二者的磁滞回线和磁致伸缩曲线,Terfenol-D的饱和磁致伸缩系数接近FeGa合金的四倍。基于上述磁致伸缩材料的性能参数后,利用退化Zheng-Liu本构模型对实验数据进行非线性拟合,获取典型磁致伸缩材料在多场耦合环境下的非线性唯象本构方程。(3)层状磁电复合悬臂梁元件的性能测试与有限元分析制备FeGa/PZT、Terfenol-D/PZT层状磁电悬臂梁元件,通过测试装置获取其磁电电压系数αME随偏置磁场Hdc的变化关系。通过压电、磁致伸缩本构方程和力学、电学的边界条件,建立层状磁电复合元件的悬臂梁有限元计算模型,结合测定的压电材料、磁致伸缩材料的性能参数,计算αME随偏置磁场的变化规律。通过与实验测量的αME进行对比,验证模型的准确性。
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