层状磁电复合材料谐振频率下的巨磁电容效应.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vol．60，No．10(2011)107702*层状磁电复合材料谐振频率下的巨磁电容效应王巍罗小彬杨丽洁张宁(南京师范大学物理科学与技术学院，磁电子学实验室，南京210046)(2010年12月17日收到;2011年1月20日收到修改稿)对三明治复合结构TbxDy1－xFe2－y/Pb(Zr，Ti)O3/TbxDy1－xFe2－y的电容与频率及磁场的函数关系进行了实验和理论研究．实验发现，该复合材料样品的电容随频率的增加而出现多个谐振峰，并且其谐振点随磁场的增加而发生频移．在谐振点附近，观察到样品的阻抗随磁场的增加由容抗性转变为

2、感抗性，从而同时观察到巨大的正磁电容效应和负磁电容效应．由复合材料的弹性力学本构方程出发，对该类样品的电容随频率及磁场的变化进行了理论模拟．结果显示，模拟曲线与实验结果符合得很好．理论表明该磁致伸缩/压电复合材料的磁电容效应源于磁场诱变的铁磁相柔顺系数．关键词:层状复合材料，界面弹性耦合，磁电容效应PACS:77．65．－j，75．50．Bb，77．84．DyC(0)分别为有磁场强度为H和零场下的电容，可1.引言以计算样品在不同频率下的磁电容，如频率为187.65kHz时，磁场为1.67kOe时，正磁电容可达外磁场引起材料电容或介电常数的变化称为23400%，该数值

3、远大于最新报道的1800%的磁电［9］磁电容效应，磁电容传感器在磁场探测、智能滤波、容．χE为磁电耦合系数，E0为激励电场振幅，Hdc［1—3］磁存储中具有重要应用价值．迄今，关于磁电为偏置磁场强度．(1)式表明，在一定的偏置磁场容效应的物理起源有两种观点:1)由于铁电相和铁下，磁电耦合系数与磁电容系数成正比，那么具有［4—8］磁相的磁电耦合产生的磁电容效应，2)由磁电强磁电耦合性能的材料应同样具有强磁电容效应．阻诱导的Maxwell-Wagner效应产生的磁电容效但是，已有的实验结果显示具有大的磁电耦合效应［9—11］应．人们对由这两种起源引起的磁电容效应进的磁电

4、复合材料，其磁电容效应并不明显［6，12］．这行了大量研究，例如，尖晶石结构的锰锌铁氧体，在是因为影响磁电耦合的因素不仅与铁电、铁磁之间3.5kOe(1Oe=79.5775A/m)磁场下，谐振频率7的耦合有关，激励信号的频率也是重要的因素．层［9］MHz，室温磁电容可达1800%.压电陶瓷BaTiO3状复合磁电材料研究表明，在铁电和铁磁复合材料和具有磁致伸缩性的Ni纳米颗粒复合材料的室温的谐振频率处的磁电电压远大于非谐振频率处的磁电容在2kOe磁场下可达10%，在5kOe磁场下［15，16］磁电电压，文玉梅等对层状复合结构的磁电响［6，12］可达300%．［17］应

5、频率特性理论和实验研究也证明这一点．并最近，Jang和Fina等分别从理论和实验对多铁且，铁电材料的电容或介电常数与信号频率有关．性材料的常温磁电耦合系数与其磁(介电)电容系所以研究磁电复合材料的磁电容效应在考虑其具数之间的关系进行了研究，发现两者之间存在关［13，14］有大的磁电耦合系数的同时，其谐振频率也是决定系式其磁电容效应的关键因素．χEC=H，(1)M(E)dc本文报道了由铽镝铁TbxDy1－xFe2－y(Terfenol-0D)和锆钛酸铅Pb(Zr，Ti)O(PZT)构成的三明治复C(H)－C(0)3其中，CM=为磁电容系数，C(H)及C(0)合结构在其

6、谐振频率处室温巨磁电容效应及磁场*国家自然科学基金(批准号:50977046)资助的课题．通讯联系人．E-mail:zhangning@njnu．edu．cn2011中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb．iphy．ac．cn107702-1物理学报ActaPhys．Sin．Vol．60，No．10(2011)107702—p诱导的谐振频移．其中ux是层合材料沿x方向的位移，ρ=nρ+(1－mn)ρ是层合材料的平均质量密度，n压电相的体积2.复合材料电容(C)的理论模型pmb分数，ρ和ρ分别是压电相和磁致伸缩相的质量p

7、m密度．由方程(2)和(5)，将解出的T1和T1代入pmux2.1.磁致伸缩/压电双层复合材料的电容方程(7)，利用S1=S1=，运动方程可写成x22层状磁电复合材料之间的耦合是应力-应变的ux2ux=v，(8)22耦合，三层复合结构如图1所示．tx其中，v是复合材料的声速，n1－nv=+/ρ，(mBE)ss槡1111由于ux(t)是按简谐规律变化，ux(t)=Acos(ωt+j(ωt+φ)φ)，复数形式为ux(t)=Ae，设初相φ=0，边界条件为x=0，x=l，l是复合材料的长度．复合材·=jωu(x=0)，·u=jωu(x=l)．解料的速度为u1