應用案例

　　實驗名稱：復合材料的磁電性能和高頻諧振響應

　　研究方向：材料測試

　　測試目的：

由于在磁場探測、能量收集等領域具有潛在應用前景，多鐵性磁電復合材料已經引起了持續的關注。磁電復合材料包含磁致伸縮相和壓電相，通過兩相界面進行應力應變傳遞，從而通過對材料施加交流磁場引發振動，這種振動傳遞到壓電相會引發電極化，進而引發磁電響應。通過兩相材料的選擇、振動模式的優化，復合材料磁電耦合系數明顯提高，特別是近年來剪切磁電系數受到廣泛關注，在高頻磁場探測中具有廣闊的應用前景，可獲得高的信噪比，先前的工作使用鋱鏑鐵合金和釔鐵石榴石等磁致伸縮材料提供伸縮或剪切應力，帶動具有較大剪切壓電系數的鈮鎂酸鉛、鈦酸鎵鑭、聚偏氟乙烯等材料實現剪切應變，制備伸縮-剪切或剪切-剪切振動模式磁電復合材料。而作為一種具有高機械品質因數Qm和低介電常數ε的無鉛壓電材料，鈮酸鋰單晶具有較大的剪切壓電系數d15和d24，有望實現大的剪切磁電響應；同時鈮酸鋰可以通過單晶切型變化獲得不同的壓電系數，有利于設計各向異性的剪切振動模式磁電器件。因此，通過使用不同切型鈮酸鋰單晶研究剪切磁電系數具有理論和實用意義。

　　測試設備：機械夾持裝置、ATA-4014高壓放大器、阻抗頻譜分析儀、鈮酸鋰單晶材料、氧樹脂或α-氰基丙烯酸乙酯、鐵氟龍膠帶。

　　圖：伸縮-剪切模式磁電復合結構示意圖

　　實驗過程：

　　將單片尺寸為16mm×5mm×25μm的3,5,10片Metglas薄片分別用環氧樹脂粘接成Metglas疊層，從而提高其厚度和磁致伸縮應力。使用尺寸為13mm×5mm×0.5mm的鈮酸鋰單晶制備Metglas/LiNbO3/Metglas疊層復合材料。伸縮-剪切結構的機械夾持玻璃通過環氧樹脂或α-氰基丙烯酸乙酯進行粘接，制備成疊層磁電復合材料，其中使用具有不同壓電系數d15(或d16)的鈮酸鋰xzt/0?,xzt/30?,xyt/0?,xyt/30?,xyt/41?等單晶切型。然后，使用ZJ-6型準靜態d33/d31(+d15)測量儀測試鈮酸鋰的剪切壓電系數，使用阻抗頻譜分析儀測試鈮酸鋰的電容和阻抗頻譜并計算介電常數。之后，將尺寸為12mm×5mm×1mm的薄磁帶放于伸縮-剪切結構磁電復合材料的單側或兩側各放一片，并通過鐵氟龍膠帶固定其位置，使用實驗室自行搭建的測試系統在1kHz時測試復合結構的磁電系數，并在1kHz—1MHz頻率范圍內使用ATA-4014功率放大器測試磁電響應隨頻率的變化。

　　實驗結果：

　　不同粘接層數Metglas/LiNbO3(xzt/0?)伸縮-剪切復合結構分別用環氧樹脂和α-氰基丙烯酸乙酯粘接機械夾持玻璃時的磁電系數，圖中寫明了相應的剪切磁電系數，計算剪切磁電系數的公式為αE15=αE-Clamping?αE-Freedom，其中αE-Clamping表示機械夾持狀態測得的伸縮+剪切磁電系數，αE-Freedom表示機械自由狀態測得的伸縮磁電系數。圖中顯示最優直流偏置磁場Hdc隨著Metglas薄片層數的上升而上升，這是由于更厚的磁致伸縮層需要更大的直流偏置磁場，而在10層Metglas薄片粘接時需要的直流偏置磁場仍小于100Oe(1Oe=79.5775A/m)，這得益于Metglas在面內方向比傳統磁致伸縮材料Terfenol-D擁有更高的磁導率。在5層Metglas粘接時，磁性層厚度和壓磁系數的乘積有最優值，此時復合材料具有最大磁電系數。當把機械夾持玻璃的粘接劑換為環氧樹脂時，剪切磁電系數從82mV/(cm·Oe)提高到109mV/(cm·Oe)，且更換粘接劑使剪切磁電系數在不同層數Metglas的復合材料中均有提高，這是因為環氧樹脂比α-氰基丙烯酸乙酯粘接劑具有更高的彈性模量，可以對Metglas向兩側的振動起到更好的抑制效果，使振動能量更多地施加在壓電相上。為了證實剪切磁電系數和壓電系數的對應關系，通過準靜態d33/d31(+d15)測量儀實測了鈮酸鋰單晶的剪切壓電系數d15。結果表明實測剪切壓電系數和理論值能夠較好符合，鈮酸鋰xzt/30?切型的最大d15為77pC/N，實測值略小于理論值，是由于購買的正常切型鈮酸鋰剪切壓電系數66pC/N也小于理論值74pC/N。為了研究晶體方向和介電常數的關系，使用阻抗頻譜分析測試了鈮酸鋰的電容。尺寸為13mm×5mm×0.5mm的鈮酸鋰晶片電容值Cp和頻率f的關系，xyt和xzt系列切型鈮酸鋰在頻率為1kHz時的電容值均為90pF，計算得到對應的介電常數εT11為80，與理論結果一致。

　　圖：粘接不同層數Metglas伸縮-剪切復合結構磁電系數αE15與直流偏置磁場的關系

　　安泰ATA-4014高壓功率放大器：

　　圖：ATA-4014高壓功率放大器指標參數

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