【摘要】：由超磁致伸缩材料Terfenol-D(铽镝铁合金)与压电材料构成的三层对称式磁电层合结构,因其具有强磁电耦合效应被广泛应用在磁电传感器、能量采集器等器件中,以及强逆磁电耦合效应被广泛应用在电磁读写器等器件中,成为近年来的一个研究热点。已有研究表明,正磁电耦合效应在不同环境温度及应力水平下会呈现不同的非线性特性;逆磁电耦合效应在偏磁场作用下会呈现非线性特性,而且压电层所占体积比对逆磁电效应的非线性特性也有影响,但是目前仍未有完善的理论模型可以描述正磁电耦合效应及逆磁电耦合效应所呈现的这种非线性。针对上述问题,本文开展了以下工作:首先,采用等效电路法对L-T模式的Terfenol-D/PZT/Terfenol-D结构进行分析。选用超磁致伸缩材料的变系数的非线性本构关系和压电材料的线性本构关系,并依据牛顿第二定律,从而得到磁电层合结构的振动方程。之后将面力等效为电路中的电压,将速度等效为电路中的电流,得到磁电层合结构的等效电路,并由等效电路推导出静态强非线性力-磁-热耦合下的磁电电场系数模型。不考虑预应力作用时,该模型预测的不同温度下的静态磁电电场系数随偏磁场的变化结果与已有实验测量结果相比,在中低场下无论是定性还是定量上均具有较好的一致性,在高场下模型预测结果比实验结果偏小,证明了本章提出的模型的有效性。在此基础上,采用该模型预测磁电层合结构在不同偏磁场、预应力及环境温度下磁电系数的变化规律,结果发现:磁电层合结构在环境温度为0℃时磁电耦合最强;在高温环境中,通过施加较大的压应力可以有效抑制环境温度导致的磁电效应的剧烈衰减现象;在环境温度为室温附近时,施加适当的拉应力可以增大最大磁电电场系数,降低达到最大磁电电场系数时所需要的偏磁场。该工作可以为高性能、小型化磁电器件在极端环境条件下的设计应用提供理论依据。其次,针对由理想线圈缠绕的PMN-PT/Terfenol-D/PMN-PT结构的逆磁电耦合效应提出一种等效电路的理论分析方法。该等效电路模型选用超磁致伸缩材料的非线性磁-热-力本构关系与压电层的力-热-电本构关系,并根据牛顿第二定律及电流环路定理建立而成。进而依据该等效电路模型建立了逆磁电系数的理论模型。不考虑预应力及环境温度影响时,该模型预测的逆磁电系数随偏磁场变化结果与已有实验结果在定性和定量上均具有较好一致性,验证了该模型的有效性。在此基础上,采用该模型预测了磁电层合结构中压电层所占不同体积比、环境温度、预应力以及偏磁场环境对逆磁电系数的影响。结果发现:存在一个最优的体积比使得逆磁电系数达到最大值;并且磁电层合结构在0℃时逆磁电耦合最强,施加拉应力有利于进一步提高逆磁电系数并降低获得最大逆磁电系数所需偏磁场;在高温或变温环境中,施加一定的压应力有利于降低温度变化引起的逆磁电效应的衰减。本文的研究工作可以为高性能、小型化磁电器件在不同环境条件的使用提供理论基础,并为磁电层合结构的逆磁电效应的研究提供进一步的理论基础。最后,从连续介质力学角度,为Terfenol-D/PZT/Terfenol-D结构建立了一个非线性热-磁-电耦合效应的理论模型。该理论模型选用超磁致伸缩材料的非线性磁-热-力本构关系与压电层的力-热-电的线性本构关系,在磁致伸缩层和压电层的界面引入耦合因子来描述层与层之间的应变传递效率,最终建立起一个非线性迭代计算的磁电系数理论模型。模型预测的温度对磁电系数的影响结果与已有实验结果相比,在定性和定量上均具有较好的一致性,证明了本文提出模型的有效性。在此基础上,采用该模型预测了环境温度、界面耦合因子及超磁致伸缩材料的热膨胀系数对磁电耦合效应的影响。预测结果显示:0℃时磁电耦合效应最强,此时提高耦合因子有利于在较小偏磁场下实现大磁电耦合,并且降低温度变化引起的磁电效应的衰减;热膨胀系数越小越有利于实现在较小偏磁场获得大磁电耦合的目的,同时也可以降低温度变化引起的磁电效应的衰减。该理论模型可以为磁电器件的制备及在不同温度环境下的应用提供理论依据。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB381
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本文编号：2464529
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