【摘要】：由超磁致伸縮材料Terfenol-D(鋱鏑鐵合金)與壓電材料構(gòu)成的三層對(duì)稱式磁電層合結(jié)構(gòu),因其具有強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)被廣泛應(yīng)用在磁電傳感器、能量采集器等器件中,以及強(qiáng)逆磁電耦合效應(yīng)被廣泛應(yīng)用在電磁讀寫器等器件中,成為近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)。已有研究表明,正磁電耦合效應(yīng)在不同環(huán)境溫度及應(yīng)力水平下會(huì)呈現(xiàn)不同的非線性特性;逆磁電耦合效應(yīng)在偏磁場作用下會(huì)呈現(xiàn)非線性特性,而且壓電層所占體積比對(duì)逆磁電效應(yīng)的非線性特性也有影響,但是目前仍未有完善的理論模型可以描述正磁電耦合效應(yīng)及逆磁電耦合效應(yīng)所呈現(xiàn)的這種非線性。針對(duì)上述問題,本文開展了以下工作:首先,采用等效電路法對(duì)L-T模式的Terfenol-D/PZT/Terfenol-D結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。選用超磁致伸縮材料的變系數(shù)的非線性本構(gòu)關(guān)系和壓電材料的線性本構(gòu)關(guān)系,并依據(jù)牛頓第二定律,從而得到磁電層合結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方程。之后將面力等效為電路中的電壓,將速度等效為電路中的電流,得到磁電層合結(jié)構(gòu)的等效電路,并由等效電路推導(dǎo)出靜態(tài)強(qiáng)非線性力-磁-熱耦合下的磁電電場系數(shù)模型。不考慮預(yù)應(yīng)力作用時(shí),該模型預(yù)測的不同溫度下的靜態(tài)磁電電場系數(shù)隨偏磁場的變化結(jié)果與已有實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果相比,在中低場下無論是定性還是定量上均具有較好的一致性,在高場下模型預(yù)測結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏小,證明了本章提出的模型的有效性。在此基礎(chǔ)上,采用該模型預(yù)測磁電層合結(jié)構(gòu)在不同偏磁場、預(yù)應(yīng)力及環(huán)境溫度下磁電系數(shù)的變化規(guī)律,結(jié)果發(fā)現(xiàn):磁電層合結(jié)構(gòu)在環(huán)境溫度為0℃時(shí)磁電耦合最強(qiáng);在高溫環(huán)境中,通過施加較大的壓應(yīng)力可以有效抑制環(huán)境溫度導(dǎo)致的磁電效應(yīng)的劇烈衰減現(xiàn)象;在環(huán)境溫度為室溫附近時(shí),施加適當(dāng)?shù)睦瓚?yīng)力可以增大最大磁電電場系數(shù),降低達(dá)到最大磁電電場系數(shù)時(shí)所需要的偏磁場。該工作可以為高性能、小型化磁電器件在極端環(huán)境條件下的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供理論依據(jù)。其次,針對(duì)由理想線圈纏繞的PMN-PT/Terfenol-D/PMN-PT結(jié)構(gòu)的逆磁電耦合效應(yīng)提出一種等效電路的理論分析方法。該等效電路模型選用超磁致伸縮材料的非線性磁-熱-力本構(gòu)關(guān)系與壓電層的力-熱-電本構(gòu)關(guān)系,并根據(jù)牛頓第二定律及電流環(huán)路定理建立而成。進(jìn)而依據(jù)該等效電路模型建立了逆磁電系數(shù)的理論模型。不考慮預(yù)應(yīng)力及環(huán)境溫度影響時(shí),該模型預(yù)測的逆磁電系數(shù)隨偏磁場變化結(jié)果與已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果在定性和定量上均具有較好一致性,驗(yàn)證了該模型的有效性。在此基礎(chǔ)上,采用該模型預(yù)測了磁電層合結(jié)構(gòu)中壓電層所占不同體積比、環(huán)境溫度、預(yù)應(yīng)力以及偏磁場環(huán)境對(duì)逆磁電系數(shù)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):存在一個(gè)最優(yōu)的體積比使得逆磁電系數(shù)達(dá)到最大值;并且磁電層合結(jié)構(gòu)在0℃時(shí)逆磁電耦合最強(qiáng),施加拉應(yīng)力有利于進(jìn)一步提高逆磁電系數(shù)并降低獲得最大逆磁電系數(shù)所需偏磁場;在高溫或變溫環(huán)境中,施加一定的壓應(yīng)力有利于降低溫度變化引起的逆磁電效應(yīng)的衰減。本文的研究工作可以為高性能、小型化磁電器件在不同環(huán)境條件的使用提供理論基礎(chǔ),并為磁電層合結(jié)構(gòu)的逆磁電效應(yīng)的研究提供進(jìn)一步的理論基礎(chǔ)。最后,從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)角度,為Terfenol-D/PZT/Terfenol-D結(jié)構(gòu)建立了一個(gè)非線性熱-磁-電耦合效應(yīng)的理論模型。該理論模型選用超磁致伸縮材料的非線性磁-熱-力本構(gòu)關(guān)系與壓電層的力-熱-電的線性本構(gòu)關(guān)系,在磁致伸縮層和壓電層的界面引入耦合因子來描述層與層之間的應(yīng)變傳遞效率,最終建立起一個(gè)非線性迭代計(jì)算的磁電系數(shù)理論模型。模型預(yù)測的溫度對(duì)磁電系數(shù)的影響結(jié)果與已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,在定性和定量上均具有較好的一致性,證明了本文提出模型的有效性。在此基礎(chǔ)上,采用該模型預(yù)測了環(huán)境溫度、界面耦合因子及超磁致伸縮材料的熱膨脹系數(shù)對(duì)磁電耦合效應(yīng)的影響。預(yù)測結(jié)果顯示:0℃時(shí)磁電耦合效應(yīng)最強(qiáng),此時(shí)提高耦合因子有利于在較小偏磁場下實(shí)現(xiàn)大磁電耦合,并且降低溫度變化引起的磁電效應(yīng)的衰減;熱膨脹系數(shù)越小越有利于實(shí)現(xiàn)在較小偏磁場獲得大磁電耦合的目的,同時(shí)也可以降低溫度變化引起的磁電效應(yīng)的衰減。該理論模型可以為磁電器件的制備及在不同溫度環(huán)境下的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國計(jì)量學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB381

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本文編號(hào)：2464529