PZT5/NiFe2O4磁电复合材料的制备与磁电性能研究

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磁电耦合效应是指在外加磁场的作用下产生电极化或在外加电场作用下产生诱导磁化的现象,是材料本身铁电性与铁磁性的相互耦合效应。这种具有磁电耦合效应的磁电材料在多功能信息存储等领域有广阔的应用前景。从组成上来分,磁电材料有单相材料和复合材料两种,复合磁电材料相比而言磁电耦合特性更易于实现。因此,本文开展了PZT5/NiFe2O4磁电复合材料的研究工作,具体内容包括以下四个方面:(1)分别选用铁电性能和铁磁性能优良的PZT5和NiFe2O4作为铁电相和铁磁相。通过传统的固相烧结方法,按摩尔比混合烧结制备0-3型(1-x)PZT5/xNiFe2O4(x=0.1,0.2,0.3,0.4和0.5)磁电复合材料。XRD分析表明复合材料中两相以机械混合形式存在,说明共烧过程中两者没有发生明显的化学反应,随铁磁相含量的增加,NiFe2O4衍射峰更明显。通过介电频谱、电滞回线和磁滞回线的分析,表明样品的铁电性能和介电性能随着铁电相含量的增加而增强,而铁磁性减弱。(2)通过不同磁场和测量电压下的介电频谱可以观察到0-3型PZT5/NFO复合材料存在磁电容效应。外加磁场H使样品低频下电容变小,电阻变大,这种磁电容效应来自于NiFe2O4在磁场下电阻的增加。随着测量电压的增大,样品低频下电阻变小,电容变化不大,这种现象是电偶极子翻转和样品表面的氧空位共同作用所导致。(3)按不同厚度比(1tPZT5:tNFO:tPZT5=0.5:1:0.5,1:1:1,1.5:1:1.5和2:1:2)烧结制备了三明治结构的PZT5/NiFe2O4/PZT5磁电复合材料(简称P/N/P)。通过电滞回线、磁滞回线和介电频谱分析,发现厚度比2:1:2的P/N/P样品铁电性能和铁磁性能最优良,饱和极化强度(Ps)和剩余极化强度(Pr)最大,分别为2.36μC/cm2和1.47μC/cm2;饱和磁化强度(Ms)、剩余磁化强度(Mr)和矫顽力(Hc)分别6emu/g、1.4emu/g和95.7Oe。(4)通过极化后三明治结构P/N/P磁电复合材料的介电频谱分析,发现外加磁场和外加电场对其谐振频率的调控特性。通过压电材料和磁致伸缩材料的本构方程推导,得到了三明治结构P/N/P磁电复合材料的谐振频率与弹性模量间的函数关系。结果表明:外加磁场对谐振频率的调控是由于磁场导致了NiFe2O4弹性模量的改变;外加电场对谐振频率的调控是由于PZT5的逆压电效应,通过PZT5与NiFe2O4之间应力的传导,影响了NiFe2O4的弹性模量所导致。
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