磁电层合材料的研究

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1、磁电层合材料的研究内外磁电复合材料的发展现状19III：纪末法国人P.Curie提出非对称分子体可能在外磁场中直接磁化,率先提出材料的磁电效应概念A】。1958年，L.D.Landau和E.M.Lifshitz在热力学和对称性理论的基础上提出磁有序晶体中存在线性磁电效应⑷。1960年，Dzyalonshinsky和D.N.Astov等人先后提出了存在磁屯效应且存在感应电场W1961年，G.T.Rado和V.J.Folen实验测出在电场的作用下产生磁场，得出其具有磁电相互转换性hl。自此以后人们相继发现许多具有压电压磁

2、性质的材料，主要可分为单相磁电材料和复合磁电材料两种。在GdQ的发现之后人们述随即发现了“2。3、CaFeO..镒酸盐结构和方硼石结构等诸多单相磁电材料［叭但考虑到它们的居里温度较低，在较低温度卜•仅有微弱的磁电效应，不易用于实际生产应用中。因此，迄今为止单相磁电材料没有制作成具有实际应用价值的器件或仪器。另一种是磁电复合材料，磁电复合材料有着相当高的居里温度和磁电转换系数，要使材料具有压磁压电效应，那么材料必须即有有序的电偶极矩也有磁偶极炬。1948年Tellegen设想了利用合成的方法制备具有磁电特性的材料⑼。在

3、此，我们引入乘积效应的理论，我们把一种具有A/B转换功能的材料与另一种具有B/C转换功能的材料制成复合材料，该材料具有A/BXB/C=A/C的功能何。这种由磁致伸缩材料和压电材料复合成的材料,它的压磁相具有有序的磁偶极矩，具有磁致伸缩效应，当存在外磁场的作用其长度和体积会发生变化已。压电相中存在有序的电偶极矩，具有压电效应，当产生应力和应变时在圧电材料内部发生极化现象阳。总而言Z,压电压磁复合材料可以实现磁能、机械能及电能之间的转换。冃前，磁电复合材料的制作方法有两种：一种是混相法，即将磁致伸缩材料颗粒同压电材料颗粒

4、混合在一起，通过特殊工艺形成的具有压电压磁效应的材料；另一种是层合法，即将层状磁致伸缩材料同层状压电材料复合在一起，形成具有磁电转换能力的材料。混相法由于制备工艺的不同可分为：原位复合法、烧结法和聚合物固化法。原位复合法：VanSuchtelen在1972年首先把CoFe.O,颗粒与BaTiO,颗粒混在一起共熔、原位复合制得了第一个磁电复合体为主耍成分的周熔体冋。但是这种方法需要的温度太高，不可避免地会发生相反应，从而产生一些不可预料的杂质相。杂质相会明显的降低复合材料的性能，第一个制备的磁电复合体的磁电转化系数达到

5、30mV/(cm•Oe)o经过VanSuchtelen等人4年多的努力，于1976年采用固相共熔原位复合法制成了Ni(Co,Mn)Fe2O4-BaTiO.,其磁电转化系数高达163mV/(cm•Oe)f,41・烧结法：1978年，在飞利浦实验室的Boomgaard等人利用BaTiO.与Ni(Co,Mn)Fe2O4的粉末，外加过量的CQ來进行简单的固相烧结，制得了铁电-铁磁复合材料。所制磁电层合材料中最大的磁电转换系数为80mV/(cm-Oe),该值虽然比共熔法、原位复合法所制取的材料的磁电电压转化系数值低了约40%何

6、。但是固相混合烧结法工艺简单、成本低，且可以自由选择两单相材料及调节其混合相的比例，复合成的材料的磁导率与电阻率均较高，因而在高频磁场或电场的作用会降低涡流损耗，从而减小发热，使得材料具备更佳的磁电性能。聚合物固化法：清华大学的南策文等人用铁电、铁磁、聚合物三种颗粒状材料复合而成的新型磁电材料进行了实验和理论的研究分析昭。他们将材料的压电相和压磁相经充分研磨，然后加入到液态有机聚合物中均匀搅拌，在一定条件下使均匀搅拌的材料粉末固化，这就可以制得混相磁电复合材料。此种方法的优点在于材料的压电和和压磁相混合均匀，生产工艺

7、极为简单、成本低廉且整体柔韧性好。由于材料以有机聚合物作为载体，因此此种材料不能用于温度环境下使用，而且复合材料中的有机聚合物对材料的磁致伸缩性能和压电性能也会有一定的影响［17J0磁电复合材料的另一种结构是层合结构，2001年，J.Ryu及具小组成员研究了利用压电材料和磁致伸缩材料成功制成了磁电层合材料。在两层Terfenol-DZ间置入一层PZT,用环氧树脂将材料粘接在一起，通过实验验证这种层状复合方法制备出的磁电材料其磁电电压转化系数远人于颗粒混相法制备出来的磁电材料。美国的G.Srinivasan等人制备出了

8、CFO(银铁氧体）同PZT复合的磁电复合材料，它的双层膜复合结构的磁电电压转化系数能够达到460mV/（cm.Oe）,多层膜复合结构的磁电电压转化系数高达1500mV/（cm•Oe）l，8_,9Jo董蜀湘等人不同形状的Terfenol-D>PZT层合材料以及层合材料的多种工作模式进行了理论和实验研究12—23】。此外，香港科技人学的SiuWin