dyfe薄膜的磁致伸缩性能及其与弹性 压电衬底复合效应分析

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1、国防科学技术大学研究生院学位论文摘要超磁致伸缩薄膜是重要的功能材料，在微传感、微驱动领域具有广阔的应用前景。本论文对TbDyFe超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩效应及其与弹性、压电衬底的复合效应进行了实验与理论研究，为TbE’yFe薄膜的应用提供基础。采用磁控溅射工艺在单晶硅上沉积TbDyFe超磁致伸缩薄膜，系统研究了提高TbDyFe薄膜低场磁致伸缩性能的工艺方法。研究结果表明：制备态及450℃真空热处理后的TbDyFe薄膜为非晶态结构；制备态的TbDyFe薄膜表现出明显的垂直各向异性；由于提高薄膜平行于膜面的饱和磁化强度、降低饱和磁场强度和垂直各向异性常

2、数有利于提高薄膜的低场磁致伸缩性能，因此真空热处理、溅射过程中平行膜面的偏置磁场的加入、衬底材料粗糙度的降低均有利于TbDyFe薄膜低磁场下的磁致伸缩性能的提高；磁控溅射的SmCo、Fe薄膜表现出优于TbDyFe薄膜的平行膜面的磁性能，TbDyFe／SmCo双层复合及TbDyFe／Fe多层交替复合薄膜具有高于TbDyFe薄膜的低场磁致伸缩性能；TbDyFe薄膜与Fe薄膜间产生交换耦合作用，单层薄膜厚度越小，交换耦合作用越强，TbDyFe／Fe多层薄膜的饱和磁场强度越小，低场磁致伸缩性能越高，其中单层厚度为5nm、总层数为80的TbDyFe／Fe多层

3、交替复合薄膜在50kA／m的磁场强度下的磁致伸缩系数达到220x104，250℃真空热处理后为315×10～，平均压磁系数以／dH为单层TbDyFe薄膜的10倍；TbDyFe／Fe多层交替复合薄膜在真空热处理过程中，还出现了Fe晶体的有序度下降的反常现象。磁致伸缩材料与压电材料复合具有磁电转换效应。自行设计并组装了用于测量层状磁电复合材料磁电电压系数的动态实验装置，并对磁控溅射的TbDyFe／PZT和粘接制备的Ni／PZT层状磁电复合材料在周期磁场激励下的诱导电压进行了测试，结果表明：由于三层和双层磁电复合材料样品具有不同的振动振型，在实验测试范围

4、(1一lkHz)内，双层磁电悬臂板产生共振，三层磁电悬臂板不产生共振。磁电复合材料在共振频率处的磁电电压系数达到最大，实验制备的TbDyFe／PZT和Ni／PZT双层悬臂板在共振频率处的最大磁电电压系数分别为14mV／A和4800mV／A。在非共振频率下，磁电三层板的磁电电压系数大于磁电双层板的磁电电压系数。根据弹性力学原理，对小变形条件下磁致伸缩薄膜与弹性衬底复合后的变形行为及与压电衬底复合后的磁电转换效应进行了理论推导，建立了适用于磁致伸缩薄膜／弹性和磁致伸缩厚膜／弹性双层悬臂板的自由端挠度与磁致伸缩系数的一般关系表达式，以及自由状态和上下夹持

5、的磁电层状复合材料的磁电电压系数理论计算公式。通过将各向异性磁致伸缩效应类比为各向异性热膨胀效应，建立了磁致伸缩／弹性板和磁致伸缩／压电层合板的有限元计算方法，并采用ANSYS有限元分析软件对试验制备的TbDyFe／Si在外磁场作用下的弯曲变形规律和TbDyFe／PZT及TbDyFe／Ni在外磁场下的磁第i页国防科学技术大学研究生院学位论文电转换规律进行了数值分析。结果表明：实验测试、理论推导及有限元数值计算的结果较为唆舍；磁蘩律缩穗l牲双麓基譬板静蠡态端挠菠隧磁教律缭貘压磁系数豹增大嚣圭鹭大；在薄膜，衬底厚度比很小的情况下，悬臂板自由端挠度值随磁

6、致伸缩薄膜厚度的增加而线性增加；当衬底与薄膜的弹性禳量相丽，且磁致伸缩薄膜犀度等于衬底浮度一半时，磁致{率缩，弹性双层板自出端挠度值达到最大；磁数姊缩薄膜弹性模量的提赢及衬底材料弹性模擞的降低有利于提高悬臀板的传感灵敏度；磁致伸缩材料膳磁系数或压电材料压电常数的增大、攫溺缝合强瘦戆增搬疆及一毫下夹赫均搜磁致罄缝，压愈滢状复合扳}}冬磁电蟪妻压系数增大；耪磁场平行于板厚度方向时所获得的磁电电压系数大于外磁场平行予板长度方向时的磁电电难系数：瑟状磁宅笈合秘秘}在矫磁场下躲诱等毫压淤磁致{率缩，舔亳藩簿耽或磁致l牵鳞材料的体积分数的增大而增大，而体磁电电

7、压系数最大戗对应一定的磁致伸缩体积分数。关键溺：磁致傍缝效应、磁电效应、TbDyFe薄骐、层状复合、磁控溅射、帮限元第ii面国防科学技术大学研究生院学位论文ABSTRACTGiantmagnetostrictivefilmsandmagnetoelectriccompositeshavedrawnsignificantinterestinrecentyearsduetotheirmultifunctionatandpotentialusesinmicro—sensorsandmicro-actuators．Themagnetostrictionof

8、TbDyFefilm，especiallyatalowmagneticfield，andthecouplingeffect