层状磁电复合材料磁电效应的理论和实验研究

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1、摘要摘要磁电(magnetoelectric，简记为ME)效应，即材料在外磁场的作用下介电极化发生变化或者在外电场作用下磁化性质发生变化的现象。具有磁电效应的材料可以实现磁场能量与电场能量之间的转换，是一种重要的功能材料。对于单相磁电材料，由于磁电效应弱和成本高等因素，使得单相材料并没有获得实际技术上的应用。开发和研究具有强磁电效应的磁电复合材料成为材料科学研究领域广泛关注的热点之一。由于层状磁电复合材料结构简单，易于制各，铁电相与铁磁相之间没有相互稀释混杂，能获得理想的磁电效应，因此在磁电传感器等领域有着广泛的应用。影响复合材料磁电转

2、化的因素很多，如各组元的压电和压磁性能、体积分数及界面耦合状态，因此需要建立一定的理论模型对磁电效应的变化规律进行研究。本文基于磁致伸缩相与压电相的本构方程，应用弹性力学模型，介绍了如何推导自由状态的双层磁电复合材料纵向、横向磁电电压系数。并采用相应的材料参数计算了L矾．，Sr。，洲n03一Pb(Zr，Ti)03(LSMO-PZT)、Ni啪Zno．：Fe。04(NZFO)一PZT、TbhDy，Fe幻(TDF)一PZT双层磁电复合材料中的磁电电压系数，具体分析了其与压电相的体积分数1，、界面耦合参数七以及偏置磁场日之间的关系。分析结果表明

3、，在某一体积分数1，。下，磁电电压系数达到最大值，且最大值与七成近似线性关系。由于TDF的超大磁致伸缩效应，TDF-PZT双层磁电结构的横向磁电电压系数可达1900mVcm-10e～，而LSMO-PZT、NZFO-PZT的仅为165mVcm-10e1和280mVcm。10e～。研究结果表明：优异的磁致伸缩性能、合适的体积分数、良好的界面耦合是影响磁电效应的关键因素。在磁电复合材料中，钛酸钡BaTi03是最早使用的压电体，后来，逐渐被锆钛酸铅Pb(Zr，Ti)03(PZT)所代替，因为PZT具有相对成熟的制备工艺和更好的压电性能。但是PZ

4、T中含量很高的有毒铅Pb和锆Zr对人体和环境造成危害，因此寻找PZT的替代品已成为科学研究的一个主要课题。近年来有报导，微量Fe掺杂的BaTi03单晶和1．Om01％Mn掺杂的BaTiO。陶瓷在老化后具有很大的电致伸缩效应，并具有较好的抗疲劳性。摘要本文用溶胶一凝胶法制备1．Om01％Mn、Cr、Co掺杂BaTi使粉体，在1250"C下烧结成多晶陶瓷样品。X射线衍射和差示扫描量热分析表明：室温下掺杂BaTiO。具有四方钙钛矿结构；居里点和相变潜热随Cr、Mn、Co掺杂逐渐降低。测量了Tb。一。DyIFe：叮(TDF)的磁致伸缩系数和磁热

5、曲线。将掺杂BaTiO。与Tb，。Dy。Fe：叮(TDF)胶合制成双层磁电复合材料，并研究了Cr掺杂BaTiO。-TDF、Mn掺杂BaTiO。-TDF、Co掺杂BaTiOa-TDF双层磁电复合材料中的磁电效应。实验表明，在3400e偏置磁场下，Cr掺杂BaTiO。-TDF的横向磁电电压系数达到最大值586mVcm-10e～。在4000e偏置磁场下，Mn掺杂BaTi03-TDF和Co掺杂BaTiO。一TDF的横向磁电电压系数的最大值分别为480mVcm-‘Oel和445mVcmlOe一。研究表明掺杂BaTi03-TDF层状磁电复合材料中具

6、有较强的磁电耦合。作为无铅压电材料，掺杂BaTiO。制备的磁电效应器件颇具应用前景。关键词：磁电效应，双层复合材料，磁致伸缩，压电性，TDF，LSMO，NZFO，PZT，掺杂BaTiO。，扫描电子显微镜，X射线衍射，差示扫描量热，溶胶一凝胶法IlABSTRACTABSTRACTInthispaperatheoreticalmodelisintroducedtoderivethemagnetoelectric(ME)voltagecoefficientsofbilayerinfreestateaccordingtotheconstitut

7、iveequationsofmagnetostrictiveandpiezoelectricphases．Usingthismodel，theMEvoltagecoefficientsofLao．，Sr。．擅In03(LSMO)-PZT，Ni。．8Zno．2Fe204(NZFO)一PZTandTb。。Dy。Fe2，(TDF)一PZTbilayershavebeencalculatedandanalyzedusingthecorrespondingmaterialparametersofindividualphases．Theresult

8、sshowthattheMEvoltagecoefficientscanincreasetoamaximumatagivenvolumefractionofpiezoelectricphase．Within