專利名稱：彎曲共振型磁電復(fù)合材料及制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工作在一階彎曲共振耦合模式下的壓電材料與磁致伸縮材料復(fù)合的磁電復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
磁電材料是一類具有磁電效應(yīng)的材料，一方面，它在磁場作用下可以產(chǎn)生介電極化，另外一方面，它在電場作用下也可以發(fā)生磁化，因此，磁電材料在磁-電能量轉(zhuǎn)換等換能器領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。磁電電壓系數(shù)是表征材料磁電效應(yīng)的一個重要指標(biāo)，其定義為αE＝dE/dH，其中，E為材料的電場輸出，H為所施加的外部磁場。目前已知的磁電材料有兩大類，包括單相化合物和復(fù)合材料。其中，磁電復(fù)合材料由于具有比單相化合物強得多的磁電效應(yīng)而備受人們的關(guān)注。磁電復(fù)合材料一般由磁致伸縮相材料和壓電相材料復(fù)合而成，兩相之間通過乘積效應(yīng)和界面的應(yīng)力傳遞作用而實現(xiàn)磁電耦合。迄今為止，人們已經(jīng)發(fā)展了多種連通形式和耦合方式的磁電復(fù)合材料，如0-3型的CoFe2O4/PZT共燒復(fù)合材料、Terfenol-D/PZT層合復(fù)合材料、NiFe2O4/PZT多層復(fù)合材料，等等，這些磁電復(fù)合材料的磁電耦合系數(shù)普遍在數(shù)百mV/cmOe～幾個V/cmOe之間。最近，人們發(fā)現(xiàn)在共振耦合模式下磁電復(fù)合材料的磁電效應(yīng)還可以得到進(jìn)一步的增強，如M.I.Bichurin等報道的NiFe2O4/PZT共燒磁電復(fù)合材料圓片在一階徑向共振頻率320kHz時的磁電電壓系數(shù)可達(dá)23V/come[參見M.I.Bichurin，D.A.Filippov，et.al.Resonance magnetoelectric effects in layeredmagnetostrictive-piezoelectric composites.PHYSICAL REVIEW B 2003，68132408-1-132408-4.]，專利ZL03132167.4報道的縱向耦合模式下的磁電復(fù)合材料矩形片在一階縱向共振頻率約60kHz時的磁電電壓系數(shù)也達(dá)到了8.7V/cmOe。盡管這些磁電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的磁電效應(yīng)有大幅度提高，但是它們的工作頻率卻較高，這使能量在磁電耦合過程中的損耗較大，從而降低了磁電耦合的能量轉(zhuǎn)換效率。為此，需要降低其共振頻率，但這則勢必會造成磁電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)尺寸的增加，因此不利于器件的小型化，并使制造成本增加。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述磁電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的不足，提供一種工作頻率低、具有較高磁電效應(yīng)和磁電耦合效率的磁電復(fù)合材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種磁電復(fù)合材料，它是由磁致伸縮材料矩形片和相同形狀、上下表面具有一對平面電極的壓電材料矩形片層合而成的磁電復(fù)合材料，其中壓電材料沿著厚度方向極化。
上述的磁電復(fù)合材料，在所述的磁致伸縮材料矩形片中，優(yōu)選的磁疇取向是磁疇沿著長度方向排列。
上述的磁電復(fù)合材料，所述的磁致伸縮材料是稀土-鐵系化合物(RFe2，R為稀土元素)、具有磁致伸縮效應(yīng)的鐵氧體化合物(RFe2O4，R為Ni、Co或Cu等元素)，或者是上述磁致伸縮材料與聚合物復(fù)合形成的磁致伸縮復(fù)合材料。
上述的磁電復(fù)合材料，所述的磁致伸縮復(fù)合材料中，磁致伸縮材料相以顆粒形態(tài)存在，并均勻分布在聚合物中，其中磁致伸縮材料相占磁致伸縮復(fù)合材料體積的40～80％。
上述的磁電復(fù)合材料，所述的磁致伸縮復(fù)合材料中的聚合物是環(huán)氧樹脂。
上述的磁電復(fù)合材料，所述的壓電材料是具有壓電效應(yīng)的陶瓷或者是壓電陶瓷與聚合物形成的壓電復(fù)合材料。
上述的磁電復(fù)合材料，所述的壓電復(fù)合材料中壓電陶瓷以顆粒形態(tài)存在，并均勻分布在聚合物中，其中壓電陶瓷占壓電復(fù)合材料體積的40～80％。
上述的磁電復(fù)合材料，所述的壓電復(fù)合材料中的聚合物是環(huán)氧樹脂、或偏二氟乙烯與三氟乙烯的共聚物。
上述的磁電復(fù)合材料，其彎曲共振頻率可以通過改變整個矩形片的長度來調(diào)節(jié)，也可以通過改變磁致伸縮層或壓電層的材料配方來調(diào)節(jié)。
一種制備上述磁電復(fù)合材料的方法，它是將磁致伸縮材料矩形片和相同形狀、上下表面具有一對平面電極的、沿著厚度方向極化的壓電材料矩形片用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑層合即制成本發(fā)明的磁電復(fù)合材料。
本發(fā)明的磁電復(fù)合材料工作在一階彎曲共振磁電耦合模式下，其工作原理是在磁場作用下，由上述磁電復(fù)合材料中的磁致伸縮層產(chǎn)生的應(yīng)力通過界面?zhèn)鬟f給壓電層，由于沿厚度方向應(yīng)力分布的不均勻而造成整體復(fù)合材料發(fā)生彎曲。若沿著長度方向?qū)ι鲜龃烹姀?fù)合材料矩形片施加一交流磁場和一直流偏置磁場，則當(dāng)施加的交流磁場頻率等于上述磁電復(fù)合材料矩形片的一階彎曲共振頻率時，上述磁電復(fù)合材料矩形片將發(fā)生彎曲共振，并由壓電層輸出電壓，從而實現(xiàn)磁能到電能的轉(zhuǎn)換。而且，由壓電層輸出的電壓隨施加的直流偏置磁場的變化而變化，當(dāng)所施加的直流偏置磁場達(dá)到一適當(dāng)?shù)膹姸葧r，由壓電層輸出的電壓將會達(dá)到最大，并且能量轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到最大。
由于本發(fā)明的磁電復(fù)合材料工作在一階彎曲共振磁電耦合模式下，同其它現(xiàn)有的徑向共振磁電耦合模式和縱向共振磁電耦合模式相比，其彎曲共振頻率極低，同時仍具有較高的磁電耦合效率和磁電耦合輸出，這樣，在工作頻率相同的情況下，本發(fā)明的彎曲共振型磁電復(fù)合材料的尺寸將會遠(yuǎn)小于其它耦合模式的磁電復(fù)合材料的尺寸，因此，總體上本發(fā)明的這種彎曲共振型的磁電耦合模式能有效地實現(xiàn)磁電復(fù)合材料器件的小型化。
圖1是本發(fā)明的一個實施例的磁電復(fù)合材料矩形片的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的磁電復(fù)合材料矩形片工作在一階彎曲共振磁電耦合模式下的原理圖。其中M表示磁致伸縮層的磁疇方向，P表示壓電層的極化方向，H表示外加直流和交變磁場方向，l表示磁電復(fù)合材料的長度，d表示磁電復(fù)合材料的厚度。
圖3是圖1中的磁電復(fù)合材料矩形片的磁電電壓系數(shù)αE在一階彎曲共振頻率附近隨頻率f的變化曲線。
圖4是圖1中的磁電復(fù)合材料矩形片在一階彎曲共振耦合模式下的磁電電壓系數(shù)αE隨直流偏置磁場HBias的變化曲線。
具體實施例方式
實施例1.本發(fā)明的磁電復(fù)合材料如圖1所示，磁電復(fù)合材料矩形片1由具有磁致伸縮效應(yīng)的TbDyFe合金矩形片2和具有壓電效應(yīng)的PZT壓電陶瓷矩形片3層合而成。其中，在PZT壓電陶瓷矩形片3的表面上具有輸出電壓用的平面電極4(a)和4(b)，PZT壓電陶瓷矩形片3的極化方向沿著厚度方向，如圖1中箭頭5所示；在TbDyFe合金矩形片2中，磁疇具有沿著長度方向的擇優(yōu)取向，如圖1中箭頭6所示。
磁電復(fù)合材料矩形片1的整體尺寸為18.0mm(長度)×5.0mm(寬度)×1.6mm(厚度)，其中，TbDyFe合金矩形片2和PZT壓電陶瓷矩形片3的尺寸均為18.0×5.0×0.8mm。
TbDyFe合金矩形片2的組分是Tb0.30Dy0.70Fe2(Terfenol-D)單晶，其磁疇的擇優(yōu)取向是<112>向。Terfenol-D單晶的典型性能為壓磁系數(shù)在磁場強度為1kOe時為13.0nm/A。
PZT壓電陶瓷矩形片3的組分是Pb(Zr0.52Ti0.48)O3，其典型性能為壓電應(yīng)變系數(shù)為d31＝-155pm/V。
本實施例的磁電復(fù)合材料矩形片的制造方法如下所述。
將尺寸為18.0×5.0×0.8mm的PZT壓電陶瓷矩形片[組分為Pb(Zr0.52Ti0.48)O3]的上下兩表面涂覆銀漿并于800℃下還原15分鐘，形成輸出電極4(a)、4(b)；然后，置入硅油中在150℃、35kV/cm的條件下對壓電陶瓷片進(jìn)行極化處理20分鐘。將處理好的PZT矩形片與尺寸為18.0×5.0×0.8mm的Terfenol-D矩形片(長度方向為<112>晶向)用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑進(jìn)行粘結(jié)層合，放入烘箱中于80℃下固化1小時，即制備成本實施例的磁電復(fù)合材料矩形片。
對本實施例的磁電復(fù)合材料矩形片1沿著長度方向(圖1中箭頭7所示方向)施加直流偏磁場和5Oe的交流磁場，當(dāng)交流磁場頻率調(diào)節(jié)到16.0kHz附近時，磁電復(fù)合材料矩形片1發(fā)生一階彎曲共振，并由PZT壓電陶瓷矩形片3輸出電壓，從而實現(xiàn)一階彎曲共振模式下的磁電效應(yīng)，如圖2和圖3所示。當(dāng)直流偏置磁場強度調(diào)節(jié)為0.7kOe時，本實施例的磁電復(fù)合材料矩形片1在一階彎曲共振模式下的磁電壓電系數(shù)αE達(dá)到了最大值18.2V/cm Oe，如圖4所示。
作為比較例，制成了具有相同組分和尺寸的一階縱向共振耦合模式的磁電復(fù)合材料(參見專利ZL 03132167.4，其中Terfenol-D矩形片尺寸為10.0×5.0×1.6mm，PZT矩形片尺寸為8.0×5.0×1.6mm，用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑將兩矩形片沿縱向?qū)φ?，形成尺寸?8.0×5.0×1.6mm的縱向型磁電復(fù)合材料)，進(jìn)行了同樣的評價實驗，并與本實施例的磁電復(fù)合材料進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。
表1
由表1可知，在尺寸相同的情況下，本發(fā)明實施例1中的磁電復(fù)合材料的一階彎曲共振頻率僅為一階縱向共振型磁電復(fù)合材料的共振頻率的約四分之一，而耦合效率則是一階縱向共振型磁電復(fù)合材料的1.5倍，同時兩者的磁電電壓系數(shù)卻是相當(dāng)?shù)?。因此，本發(fā)明實施例1中的磁電復(fù)合材料具有更加優(yōu)良的綜合磁電耦合性能。而且可以預(yù)料，與一階縱向共振型磁電復(fù)合材料相比，在工作頻率相同的情況下，本發(fā)明的磁電復(fù)合材料的長度可以縮小近3倍，從而有效實現(xiàn)器件的小型化。
實施例2.本發(fā)明的磁電復(fù)合材料。
本實施例的磁電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和尺寸與實施例1的磁電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和尺寸均相同，其整體上是一個矩形片，由磁致伸縮材料矩形片和壓電材料矩形片層合而成。本實施例的磁電復(fù)合材料與實施例1的磁電復(fù)合材料的基本不同點在于本實施例中的磁致伸縮材料是Terfenol-D/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，壓電材料是PZT/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。其他的方面，諸如壓電材料的電極排布方式和極化方向、磁致伸縮材料的磁疇取向等則與實施例1中的磁電復(fù)合材料相同。
在本實施例中，Terfenol-D/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中的Terfenol-D顆粒的體積含量為0.8，其平均粒徑為120微米，磁疇方向是沿著復(fù)合材料矩形片的長度方向。該Terfenol-D/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的典型性能為壓磁系數(shù)在磁場強度為1kOe時為5.9nm/A。
在本實施例中，PZT/環(huán)氧樹脂材料是由Pb(Zr0.52Ti0.48)O3壓電陶瓷顆粒與環(huán)氧樹脂復(fù)合而成的0-3型壓電復(fù)合材料，其中，PZT顆粒的體積含量為0.6，PZT平均粒徑為50微米。該PZT/環(huán)氧樹脂材料的典型性能為壓電應(yīng)變系數(shù)為d31＝-50pm/V。
本實施例的磁電復(fù)合材料矩形片的制造方法如下所述。
步驟1Terfenol-D/環(huán)氧樹脂材料的制備。
將平均粒徑為120微米Terfenol-D顆粒與低粘度環(huán)氧樹脂混合并充分?jǐn)嚢?，倒入一個矩形模具中并施壓成型。在保持壓力的同時，沿模具長度方向施加強度為2kOe的直流磁場。保持壓力和磁場不變，升溫至80℃并保溫6小時至完全固化，最后切割成18.0×5.0×0.8mm的矩形片(長度方向為施加的直流磁場方向)。
步驟2PZT/環(huán)氧樹脂材料的制備。
將平均粒徑為50微米的Pb(Zr0.52Ti0.48)O3壓電陶瓷顆粒與低粘度環(huán)氧樹脂充分?jǐn)嚢杌旌?，倒入一個矩形模具中并施壓成型。升溫至80℃并保溫6小時至完全固化，切割成18.0×5.0×0.8mm的矩形片。在矩形片的上下兩表面涂覆環(huán)氧導(dǎo)電膠形成電極，再放入硅油中于85℃和30kV/cm的條件下對其作極化處理30分鐘。
上述步驟1、2中的環(huán)氧樹脂的配方為618(環(huán)氧樹脂)∶T31(固化劑)∶660(稀釋劑)＝100g∶15g∶10g。
步驟3粘結(jié)層合。
將制好的Terfenol-D/環(huán)氧樹脂矩形片和PZT/環(huán)氧樹脂矩形片用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑進(jìn)行粘結(jié)層合，并放入烘箱中于80℃下固化1小時，即制備成本實施例的磁電復(fù)合材料矩形片。
按照本實施例制作的磁電復(fù)合材料矩形片具有與實施例1的磁電復(fù)合材料矩形片相似的工作方式和工作特性。但是，由于組成材料的變化，磁電復(fù)合材料矩形片的一階彎曲共振頻率和磁電耦合特性也發(fā)生了變化。本實施例制作的磁電復(fù)合材料矩形片的一階彎曲共振頻率在10kHz附近，當(dāng)直流偏置磁場為0.7kOe時磁電復(fù)合材料矩形片的一階彎曲共振磁電電壓系數(shù)為8.8V/cmOe。
實施例3.本發(fā)明的磁電復(fù)合材料。
本實施例的磁電復(fù)合材料矩形片的結(jié)構(gòu)和組分與實施例1的磁電復(fù)合材料矩形片的結(jié)構(gòu)和組分均相同，磁致伸縮層由Terfenol-D矩形片構(gòu)成，壓電層由Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)矩形片構(gòu)成。本實施例的磁電復(fù)合材料與實施例1的磁電復(fù)合材料的基本不同點在于在本實施例中，磁電復(fù)合材料矩形片的尺寸發(fā)生了變化，整體尺寸為25.0mm(長度)×5.0mm(寬度)×2.0mm(厚度)，其中，Terfenol-D矩形片和PZT矩形片的尺寸均為25.0×5.0×1.0mm。其他的方面，諸如壓電材料的電極排布方式和極化方向、磁致伸縮材料的磁疇取向、磁電復(fù)合材料的制備過程和方法等則與實施例1中的磁電復(fù)合材料相同。
按照本實施例制作的磁電復(fù)合材料矩形片具有與實施例1的磁電復(fù)合材料矩形片相似的工作方式和工作特性。但是，由于尺寸的變化，磁電復(fù)合材料矩形片的一階彎曲共振頻率發(fā)生了明顯變化，為11.5kHz，而磁電電壓系數(shù)則變化不大，在0.7kOe的直流偏置磁場下約為16.1V/cmOe。
在上述實施例中，對于磁致伸縮材料，作為舉例僅說明了Terfenol-D和Terfenol-D/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，但也可以用其他配方的磁致伸縮材料，如其他具有磁致伸縮性質(zhì)的稀土一鐵系化合物(如TbFe2、SmFe2等)和具有磁致伸縮效應(yīng)的鐵氧體材料(如NiFe2O4、CoFe2O4等)等替代。而對于壓電材料，作為舉例僅說明了PZT壓電陶瓷和PZT/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，但也可以用其他配方的壓電材料，如鈦酸鋇壓電陶瓷、鈦酸鉛壓電陶瓷、鈮鎂鈦酸鉛系壓電陶瓷或壓電單晶等替代。所制備的磁電復(fù)合材料矩形片具有與實施例1的磁電復(fù)合材料相似的工作方式和工作特性。
權(quán)利要求
1.一種磁電復(fù)合材料，其特征是它是由磁致伸縮材料矩形片(2)和相同形狀、上下表面具有一對平面電極[4(a)、4(b)]的壓電材料矩形片(3)層合而成的磁電復(fù)合材料，其中壓電材料沿著厚度方向(5)極化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電復(fù)合材料，其特征是所述的磁致伸縮材料矩形片的磁疇取向是磁疇沿著長度方向(6)排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電復(fù)合材料，其特征是所述的磁致伸縮材料是稀土-鐵系化合物或具有磁致伸縮效應(yīng)的鐵氧體，或者是上述磁致伸縮材料與聚合物復(fù)合形成的磁致伸縮復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁電復(fù)合材料，其特征是所述的磁致伸縮復(fù)合材料中，磁致伸縮材料相以顆粒形態(tài)存在，并均勻分布在聚合物中，其中磁致伸縮材料相占磁致伸縮復(fù)合材料體積的40～80％。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁電復(fù)合材料，其特征是所述的磁致伸縮復(fù)合材料中的聚合物是環(huán)氧樹脂。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電復(fù)合材料，其特征是所述的壓電材料是壓電陶瓷或者是壓電陶瓷與聚合物形成的壓電復(fù)合材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁電復(fù)合材料，其特征是所述的壓電復(fù)合材料中壓電陶瓷以顆粒形態(tài)存在，并均勻分布在聚合物中，其中壓電陶瓷占壓電復(fù)合材料體積的40～80％。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁電復(fù)合材料，其特征是所述的壓電復(fù)合材料中的聚合物是環(huán)氧樹脂、或偏二氟乙烯與三氟乙烯的共聚物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁電復(fù)合材料，其特征是其工作在一階彎曲共振磁電耦合模式下，其彎曲共振頻率通過改變整個矩形片的長度來調(diào)節(jié)，或者通過改變磁致伸縮層或壓電層的材料配方來調(diào)節(jié)。
10.一種制備權(quán)利要求1所述磁電復(fù)合材料的方法，其特征是它是將磁致伸縮材料矩形片和相同形狀、上下表面具有一對平面電極的、沿著厚度方向極化的壓電材料矩形片用粘結(jié)劑層合而成。
全文摘要
一種磁電復(fù)合材料，它是由磁致伸縮材料矩形片和相同形狀、上下表面具有一對平面電極的、沿著厚度方向極化壓電材料矩形片層合而成的磁電復(fù)合材料。沿著長度方向?qū)ι鲜龃烹姀?fù)合材料矩形片施加一交流磁場和一直流偏置磁場，當(dāng)施加的交流磁場頻率等于上述磁電復(fù)合材料矩形片的一階彎曲共振頻率時，上述磁電復(fù)合材料矩形片將發(fā)生彎曲共振，壓電層輸出電壓，實現(xiàn)磁能到電能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)所施加的直流偏置磁場強度適當(dāng)時，壓電層輸出的電壓達(dá)到最大，并且能量轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到最大。本發(fā)明的磁電復(fù)合材料同徑向或縱向共振耦合模式相比，其彎曲共振頻率極低，并具有較高的磁電耦合效率，同時仍能保持較高的磁電耦合輸出，可以有效實現(xiàn)磁電耦合元件的小型化。
文檔編號H01L41/22GK1794480SQ20051009533
公開日2006年6月28日 申請日期2005年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月8日
發(fā)明者萬建國, 劉俊明, 王廣厚 申請人:南京大學(xué)