專利名稱：一種提高復合材料磁電效應(yīng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種提高復合材料磁電效應(yīng)的設(shè)計方法及應(yīng)用，主要是通過設(shè)計磁電復合材料中壓電單晶材料的新切型來提高磁電輸出的。
背景技術(shù)：
磁電耦合效應(yīng)就是當材料處在外磁場的條件下能產(chǎn)生電極化，或者在電場的條件下有磁化現(xiàn)象的出現(xiàn)。1894年Curie基于對晶體對稱性的考慮就預言了磁電效應(yīng)的存在，但是直到1958年才由Landau和Lifshitz證實了在某些晶體中存在著磁電效應(yīng)。隨后，Dzyaloshinskii對反鐵磁Cr2O3的對稱性進行了討論，認為Cr2O3具有磁電效應(yīng)，并且得到了實驗的驗證。自從1960-1961年磁電效應(yīng)在反鐵磁體Cr2O3晶體中被發(fā)現(xiàn)以來，這類物質(zhì)在工業(yè)技術(shù)上廣泛的應(yīng)用前景以及他們的獨特的物理性質(zhì)，使之倍受理論和實驗工作者的重視。它們的磁電性質(zhì)可以通過外加電場的改變或應(yīng)用外磁場而加以調(diào)節(jié)，同樣由于自旋有序的漲落通過磁致伸縮或可能的電-電子作用而導致鐵電弛豫或介電異常。對于鐵電有序和磁有序之間的耦合可以使我們預見到這類材料在物理性質(zhì)方面所具有的嶄新的特征。
磁電效應(yīng)主要存在于兩類物質(zhì)中一類是自旋-軌道有序的物質(zhì)所表現(xiàn)出的外場(磁場和電場)誘導的線性磁電效應(yīng)(ME)H，E，又被稱為磁場感生的電矩效應(yīng)或電場感生的磁矩效應(yīng)，通常將這類具有線性磁電效應(yīng)的物質(zhì)成為磁電體；而另一類是鐵電磁體，它除了具有一般磁電體的性質(zhì)外，還由于固有的本征有序和鐵電有序的存在使之自發(fā)的磁電效應(yīng)。實驗上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了由于自發(fā)的磁電耦合導致的介電異常和損失正切。
在過去幾十年，人們對單相和復合體系材料的磁電耦合效應(yīng)(ME)進行了廣泛而深入的研究。在磁場中感應(yīng)電極化或在電場中產(chǎn)生磁化強度要求同時具有磁偶極距的長程有序和電偶極距。單相材料很少具有這樣的特點，且只在低溫下才具有磁電效應(yīng)，根本無法滿足實際應(yīng)用的需要。為此，近年來，人們逐漸將研究重點轉(zhuǎn)移到具有較大磁電效應(yīng)的復合材料上，這種材料的磁電耦合效應(yīng)能通過含有單獨的壓磁和壓電相或單獨的磁致伸縮相和壓電相來實現(xiàn)。如本申請人已經(jīng)申請的CN1631666具有巨大磁電耦合效應(yīng)的新型復合材料及應(yīng)用。早在80年代，壓電/磁致伸縮(壓磁)耦合機制引致磁電效應(yīng)就為人們認識到。南策文在上世紀90年代提出將壓電材料與壓磁材料復合在一起，利用電-力與磁-力間的耦合實現(xiàn)大的磁電效應(yīng)，磁電效應(yīng)可以通過人為設(shè)計和剪裁得以實現(xiàn)，只要兩基元材料分別具有大的壓電和壓磁效應(yīng)，通過有效的耦合傳遞使復合材料展現(xiàn)高的磁電效應(yīng)。
目前復合材料從結(jié)構(gòu)上來看主要分為0-3型/3-3型(如NFO-PZT、CFO-PZT等)，以及2-2型(屬于層間耦合的如Terfenol-D(特夫納-D)-PZT、CFO-PZT和NFO-tiBaO3的多層結(jié)構(gòu)；屬于縱向耦合的如Terfenol-D/Eproxy-PZT/Eproxy等)。由具有巨大磁致伸縮效應(yīng)的稀土合金Tb1-xDyxFe2-y(Terfenol-D)和具有大的壓電性能的物質(zhì)所形成的復合物(如Terfenol-D-PVDF-TrEE、Terfenol-D-PZT和Terfenol-D-PMNT等)會表現(xiàn)出巨磁電效應(yīng)，這些材料更具有實際的應(yīng)用前景。
但是為了達到實際的應(yīng)用目標，需要更廣泛的具有巨磁電效應(yīng)的復合材料，仍需要對現(xiàn)有的復合材料從理論到實踐進行新的探索。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過對壓電單晶的切型進行優(yōu)化設(shè)計使其更好的與磁致伸縮相相耦合來提高磁電材料的磁電輸出。尤其是采用2-2型的磁電復合材料，通過磁致伸縮材料和單晶壓電材料的耦合來實現(xiàn)磁電耦合。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種提高復合材料磁電效應(yīng)的方法，將磁致伸縮材料和壓電材料制成層狀的復合材料，根據(jù)磁致伸縮材料在直流偏磁場和交流激勵磁場作用下的振動模式來設(shè)計壓電單晶的切型，使新切型的壓電單晶在磁致伸縮材料所施加的應(yīng)變作用下有更大的壓電輸出。
本發(fā)明方法就是對標準切型的壓電單晶的切型進行選擇以使得晶體的最大壓電系數(shù)得到應(yīng)用。即對標準壓電單晶的壓電系數(shù)張量矩陣進行坐標變換，使在新的切型下壓電系數(shù)矩陣中所用到的壓電系數(shù)組合值達到最大，使新切型的壓電單晶在我們所需要的方向上有最大的壓電輸出。
本發(fā)明中所用的磁致伸縮材料為具有巨大磁致伸縮效應(yīng)的稀土合金Tb1.27-0.3Dy0.73-0.70Fe1.90-1.95(Terfenol-D)，這種材料的居里溫度高(653K左右)，磁晶各向異性常數(shù)小(K1＝-0.6×106J/m3)。單晶或晶粒取向好的Terfenol-D在室溫下加較小磁場(1KOe左右)即可獲得很大的磁致伸縮值(單晶λ111取向的Terfenol-D磁致伸縮值最高可達1620×10-6ppm)。本發(fā)明采用的是[111]取向的Terfenol-D，其磁致伸縮引起的形變可以產(chǎn)生大的應(yīng)力。
所選用的壓電材料是沿(001)方向極化的LiNbO3單晶。LiNbO3是現(xiàn)在已知居里點高(1210℃)和自發(fā)極化大(室溫約0.70C/m2)的鐵電晶體，屬3m點群。有d15(74×10-12C/N)、d22(20.8×10-12C/N)、d31(0.86×10-12C/N)和d33(6.2×10-12C/N)四個獨立的壓電系數(shù)。對(001)切型的LiNbO3單晶進行了兩次坐標旋轉(zhuǎn)，選取了(zxtw)-129°/30°切型的LiNbO3單晶；即(001)切型的LiNbO3單晶沿z軸旋轉(zhuǎn)-129°，再沿x軸旋轉(zhuǎn)30°切型的LiNbO3單晶。
我們的層間復合樣品是將扁片長條狀的Terfenol-D和極化后的LiNbO3單晶用環(huán)氧樹脂沿二者長度方向粘合在一起的。Terfenol-D在磁場中沿其長度方向的應(yīng)變傳遞到LiNbO3單晶上，從而在LiNbO3單晶垂直于厚度方向的兩面上產(chǎn)生可檢測到的電勢差。本發(fā)明中所用Terfenol-D的易磁化方向是沿長度方向的，即在磁場作用下其磁致伸縮引起的形變主要是沿長度方向的，因而LiNbO3單晶產(chǎn)生的壓電輸出主要用的是壓電系數(shù)d31。但LiNbO3單晶的壓電系數(shù)d31比較小，而d15比較大，一般適用于厚度剪切模式。為了充分利用d15并使其在橫場長度伸縮振動模式中獲得較大的壓電效應(yīng)，我們對LiNbO3單晶進行了旋轉(zhuǎn)即進行優(yōu)化切型設(shè)計，使優(yōu)化切型單晶在新坐標系下得d31′最大。對于不同切型的壓電晶片，必須求出其壓電常數(shù)等物理量在旋轉(zhuǎn)后新的坐標系中的矩陣表示式，才能寫出它們在旋轉(zhuǎn)坐標系中的壓電方程。壓電常數(shù)矩陣的坐標變換式為d′＝AdN′，其中A為坐標正交變換矩陣，N′為應(yīng)變張量的變換矩陣N的轉(zhuǎn)置矩陣。A和N的表達式分別如下A=a11a12a13a21a22a23a31a32a33=cosα1cosβ1cosγ1cosα2cosβ2cosγ2cosα3cosβ3cosγ3]]>
N=a112a122a132a12a13a11a13a11a12a212a222a232a22a23a21a23a21a22a312a322a332a32a33a31a33a31a322a21a312a22a322a23a33(a22a33+a32a23)(a23a31+a33a21)(a21a32+a31a22)2a31a112a32a122a33a13(a32a13+a12a33)(a33a11+a13a31)(a31a12+a11a32)2a11a212a12a222a13a23(a12a23+a22a13)(a13a21+a23a11)(a11a22+a21a12)]]>aij為新舊坐標系的方向余弦，i表示新坐標系的某一坐標軸，j表示舊坐標系的某一坐標軸。
經(jīng)過計算我們得到(zxtw)-129°/30°切型的LiNbO3單晶的壓電系數(shù)d31′最大，如下，d31＝-d31cos(129°)sin(129°)-d15cos(129°)sin2(129°)+d33d31cos3(129°)+d22d31sin(129°)[2cos2(30°)sin(30°)-sin3(30°)]＝31.957×10-12C/N＝37.16d31即，我們對一般切型的LiNbO3單晶進行了兩次旋轉(zhuǎn)變換后選取了(zxtw)-129°/30°的LiNbO3單晶切型，如圖2(b)所示。可以看出d15對d31′的值貢獻最大，d31′的值得到了大大提高。
本發(fā)明特點是采用2-2型的磁電復合材料，通過磁致伸縮材料和單晶壓電材料的耦合，通過對壓電單晶的切型進行優(yōu)化設(shè)計充分利用大的壓電系數(shù)，提高了磁電復合材料的磁電輸出。有著很好的實用前景。
四

圖1本發(fā)明的2-2型復合磁電材料LiNbO3/Terfenol-D結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明中LiNbO3單晶的一般切型和優(yōu)化切型的結(jié)構(gòu)示意圖(a)一般的(zx)切型(b)(zxtw)-129°/30°切型圖3本發(fā)明樣品在不同偏磁場作用下磁電耦合系數(shù)隨頻率的變化五具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明主要應(yīng)用研究的對象是復合材料，該復合材料是由磁致伸縮材料Terfenol-D和壓電材料LiNbO3單晶組成的層間耦合2-2型復合材料。其磁電耦合是通過磁致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)在相界面協(xié)同作用下的“乘積效應(yīng)”，即磁-力與力-電的耦合來實現(xiàn)的。該過程可以形象地表示為Magnetoele ctric=electricmechanical×mechanicalmagnetic,]]>從而我們獲得磁電耦合效應(yīng)的重要表征參數(shù)即磁電耦合系數(shù)，αH=(dHdE)T,HBias.f]]>磁電效應(yīng)測量系統(tǒng)是現(xiàn)有的方法，其測量頻率為100Hz-1MHz，直流偏磁場為0-1.5T，靈敏度優(yōu)于1mV/cmOe。將樣品置于Helmholtz線圈內(nèi)，并放置在電磁鐵中，樣品長度方向與磁場方向一致。直流偏磁場由電磁鐵提供，它的作用是使復合材料中的磁致伸縮相發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)，從而提供兩相之間應(yīng)力的來源。交變的小磁場由帶有功率放大器的信號發(fā)生器產(chǎn)生，功率放大器的輸出端連接到Helmboltz線圈，交變磁場的作用是產(chǎn)生激勵信號。直流偏磁場的大小可以通過霍爾探頭來檢測。交變的小磁場可以通過感應(yīng)磁通計來測量。樣品產(chǎn)生的電壓可以通過示數(shù)字波器或鎖相放大器檢測。
在測試過程中，可以通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的頻率來研究磁電耦合系數(shù)與交變磁場頻率的關(guān)系。也可以通過調(diào)節(jié)電磁鐵電流的大小來改變直流磁場的大小進而研究磁電耦合系數(shù)與直流偏場的關(guān)系。根據(jù)αH=(dHdE)T,HBias·f,]]>測量樣品厚度，交變小磁場，直流偏磁場，感生電壓，通過計算可以得出磁電耦合系數(shù)。
我們發(fā)現(xiàn)對壓電材料進行優(yōu)化切型以后，樣品的磁電耦合系數(shù)大大提高，如圖3所示，磁電耦合系數(shù)在頻率160kHz附近取得峰值，最大值高達2.31V/cmOe。而對于復合材料采用一般切型的LiNbO3單晶，其磁電系數(shù)值太小幾乎無法測得。很明顯，一般切型的LiNbO3單晶，其壓電系數(shù)d31太小，即正向壓電效應(yīng)很小，所以磁電樣品的磁電輸出就很??；而磁電樣品采用優(yōu)化切型的LiNbO3單晶后，d31′大大提高(為原來的37.16倍)，即新切型LiNbO3的正向壓電效應(yīng)大大提高，因而磁電輸出就很大。所以改變壓電材料的切型是一種提高復合材料磁電效應(yīng)的非常有效的方法，對實際應(yīng)用(如避免使用含鉛的壓電材料)是非常有參考價值的。
總之，對于由磁致伸縮材料和壓電材料制成的層狀的2-2型磁電復合材料，根據(jù)磁致伸縮材料的在直流偏磁場和交流激勵磁場作用下的振動模式來設(shè)計壓電單晶的切型是一種很有效的提高磁電效應(yīng)的方法，該技術(shù)具有很廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種提高復合材料磁電效應(yīng)的方法，其特征是將磁致伸縮材料和壓電材料制成層狀的復合材料，二者粘合在一起；根據(jù)磁致伸縮材料的在直流偏磁場和交流激勵磁場作用下的振動模式來設(shè)計壓電單晶的切型，對標準切型的壓電單晶的切型進行選擇以使得晶體的最大壓電系數(shù)得到應(yīng)用即對標準壓電單晶的壓電系數(shù)張量矩陣進行坐標變換，使在新的切型下壓電系數(shù)矩陣中所用到的壓電系數(shù)組合值達到最大，以使新切型的壓電單晶在所需要的方向上有最大的壓電輸出。
2.由權(quán)利要求1所述的提高復合材料磁電效應(yīng)的方法，其特征是所用的磁致伸縮材料為稀土合金Tb1.27-0.3Dy0.73-0.70Fe1.90-1.95(Terfenol-D)，所選用的壓電材料是沿(001)方向極化的LiNbO3單晶；對(001)切型的LiNbO3單晶進行了兩次坐標旋轉(zhuǎn)，選取了(zxtw)-129°/30°切型的LiNbO3單晶；即(001)切型的LiNbO3單晶沿z軸旋轉(zhuǎn)-129°，再沿x軸旋轉(zhuǎn)30°切型的LiNbO3單晶。
3.由權(quán)利要求1所述的提高復合材料磁電效應(yīng)的方法，其特征是采用的是[111]取向的Terfenol-D。
4.由權(quán)利要求1所述的提高復合材料磁電效應(yīng)的方法，其特征是采用復合樣品是將扁片長條狀的Terfenol-D和極化后(zxtw)-129°/30°切型的的LiNbO3單晶用環(huán)氧樹脂沿二者長度方向粘合在一起的。
全文摘要
一種提高復合材料磁電效應(yīng)的方法，將磁致伸縮材料和壓電材料制成層狀的復合材料，二者粘合在一起。根據(jù)磁致伸縮材料的在直流偏磁場和交流激勵磁場作用下的振動模式來設(shè)計壓電單晶的切型，使新切型的壓電單晶在磁致伸縮材料所施加的應(yīng)變作用下有更大的壓電輸出；對標準切型的壓電單晶的切型進行選擇以使得晶體的最大壓電系數(shù)得到應(yīng)用即對標準壓電單晶的壓電系數(shù)張量矩陣進行坐標變換，使在新的切型下壓電系數(shù)矩陣中所用到的壓電系數(shù)組合值達到最大，以使新切型的壓電單晶在我們所需要的方向上有最大的壓電輸出。即可獲得最大磁電效應(yīng)。
文檔編號B32B37/00GK1805165SQ200510122
公開日2006年7月19日 申請日期2005年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月30日
發(fā)明者朱勁松, 楊盼, 趙可, 尹媛, 萬建國, 呂笑梅 申請人:南京大學