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磁电耦合效应是材料在磁场中产生的电极化或者电场中产生的磁化。自从复合材料,尤其是层间耦合型材料的大磁电耦合效应被提出并且得到实现以来,这方面成为研究的热点。复合材料的磁电耦合效应一般是磁致伸缩效应和压电效应通过机械作用耦合的“乘积效应”。实验上通过磁致伸缩材料和压电材料的界面上的应力传递,把磁致伸缩材料由于外磁场感生的应变传送到压电材料上,产生电极化和电信号输出。
我们的研究工作是关于Ni52Mn24Ga24/PbZr0.52Ti0.4O3(Ni2MnGa/PZT)双层复合结构材料的磁电耦合效应。研究重点是其中Ni2MnGa合金的温度诱发马氏体相变对磁电耦合效应的影响。Ni2MnGa合金在马氏体相变(及逆相变)温度处发生从奥氏体相到马氏体相的结构相变或者其逆相变。在相变过程中产生很大的应变,而这种应变受外加磁场影响很大,这就是马氏体相变过程中的磁感生应变(MFIS)。这来源于马氏体相中的铁弹—铁磁耦合作用。这种效应可以看作一种等效磁致伸缩,有巨大的等效磁致伸缩系数,我们的研究特别关注MFIS的巨大等效磁致伸缩对复合结构材料磁电耦合系数的影响。
首先制备了Ni52Mn24Ga24/PbZr0.52Ti0.403双层复合结构材料,并且制作了一套适合于磁电耦合效应测量的样品控温装置。同时对复合材料中的Ni2MnGa合金、PZT压电陶瓷以及丙烯酸环氧树脂的性质进行了测量,保证了该复合材料符合我们的要求。利用磁电耦合效应测量系统和控温装置,测量了样品在不同温度下的磁电耦合系数,发现在马氏体相变温度(40℃、32℃)处磁电耦合系数出现明显的峰值,达到170 mV/cm Oe,增加了5-7倍。从而证实了Ni2MnGa合金的马氏体相变对该复合材料的磁电耦合效应有显著的影响,初步实现了复合材料中的多铁性耦合。并且讨论了这个结果的意义与应用前景。
为了解释实验中出现的上述现象,提出了基于马氏体成核生长以及相变初期马氏体相区域小尺度、单畴的假设的适用于马氏体相变过程中的MFIS理论模型。该模型得到了自洽的、满足基本假设的结论,以及定性的符合实验事实的磁致伸缩系数一偏磁场关系以及磁致伸缩系数-温度关系。该理论模型弥补了关于Ni2MnGa合金马氏体相变MFIS的OHandley模型不能使用于相变进行过程中,以及不能解释我们的实验结果的缺陷。对新理论模型进行了讨论,并指出了其局限性和有待进一步完善的地方。