偏置磁场对磁电复合材料磁电系数的影响研究

周 勇, 陈 挺, 梁 鑫, 李纯健

(1.南京信息工程大学 电子与信息工程学院,江苏 南京 210044; 2.南京信息工程大学 大气环境与装备技术协同创新中心,江苏 南京 210044)

磁电复合材料是一种新型的功能材料,可以实现电场与磁场的相互转换,在微波领域、航空航天领域、能量收集领域以及高精度的电场和磁场器件等方面有着很好的应用前景,引起了国内外广泛的关注[1-6]。在材料的制备和特性研究方面,文献[7]通过烧结法制备出BaTiO3/BiY2Fe5O12磁电复合材料,并在1 100 ℃下烧结深入研究了其铁电、铁磁和磁电性能；文献[8]采用脉冲激光沉积法制备了BaTiO3/La0.67Sr0.33MnO3-δ复合薄膜,发现在外加磁场时,电滞回线的剩余极化强度和矫顽场均增大,在低温环境下磁致变化尤其明显;文献[9-10]通过对CoFe2O4/Ba0.9Ca0.1Ti0.9Zr0.1O3磁电复合材料、NiFe2O4/(0.8BaTiO3-0.2Na0.5Bi0.5TiO3)异质结层状磁电复合材料的研究,结果表明这2种复合材料具有明显的磁电耦合效应,为无铅磁电材料的选取提供更多的选择。而在应用方面,文献[11]研究了一种基于SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT复合材料的自偏置磁电电流传感器。

磁电系数(αME)是衡量磁致伸缩材料性能的关键指标,作者前期研究了压电-磁致伸缩层叠复合材料结构对αME的影响,该层叠结构的模态、谐响应特性[12-13]以及对结构尺寸的优化,但未考虑偏置磁场对层叠磁电复合材料αME的影响特性。基于此,本文主要研究外加偏置磁场对层叠磁电复合材料αME的影响,并制作了磁电复合材料磁电系数测试装置进行试验。

1 有限元分析

1.1 磁致伸缩效应有限元分析

磁致伸缩层在施加磁场时产生形变，联动导致压电层相应形变。假设磁致伸缩材料是各向同性，刚度矩阵C可用杨氏模量和泊松比表示，施加外部磁场时，磁致伸缩层所受应力S为：

S=C=(ε-ε0),C=C(E,ν)

(1)

其中，ε为应变张量；ε0为初始应变；E为杨氏模量；ν为泊松比。用磁化场M的二次各向同性函数mε来描述对应的应变情况,具体如下：

(M⊗M)ij=MiMj

(2)

其中，λs为饱和磁致伸缩，达到饱和磁化强度Ms时，磁致伸缩应变最大；dev代表张量运算符；MiMj表示张量积。

1.2 压电效应有限元分析

压电层的应变是磁致伸缩材料在施加外部磁场应变所导致的，因此相对较小的压电层应变仍符合线性规律。压电效应为弹性力学与电学之间的相互作用，压电方程通过应变-电荷形式写入。若初始应变和初始应力为0，则压电方程[14]为：

ε=SES+dTE,D=dS+ξE

(3)

其中，SE、d分别为柔度矩阵和压电系数矩阵；S为应力张量；E、D分别为感应电场和电位移矩阵；ξ为介电常数矩阵。

假设在理想状态下，磁电复合材料初始无任何约束。若外加磁场强度为Hdc+Hac，则压电层下表面接地且外电路开路状态下的初始条件为：

Dz=0，u|y=0=0

(4)

其中，Dz为z方向的电位移矩阵；u为位移。

1.3 磁电效应

磁电效应体现了磁化强度与电极化强度之间的耦合效应，即外加磁场可以改变介质的电极化性质，称为磁电效应，其大小一般用磁电系数αME[15]来表示，即

(5)

由于施加的磁场沿y方向，因此H=Hy,电场Ez=V/tp，V为压电层上表面的平均电压，tp为压电材料厚度。

2 偏置磁场对磁电系数的影响

由于磁致伸缩材料的弹性杨氏模量受偏置磁场的影响进而影响复合材料的磁电特性,因此研究不同偏置磁场下该复合材料的磁电特性具有重要的意义。为此,利用COMSOL建立了磁电层叠三维模型,如图1所示,上、下2层为磁致伸缩层,中间层为压电层,L=12 mm,W=6 mm,tm=1 mm,tp=1 mm。磁致伸缩材料的参数如下:杨氏模量E为60×109Pa;泊松比ν为0.45;密度ρ为7 870 kg/m3;电导率σ为0;相对介电常数εr为1;饱和磁致伸缩λs为2×104;饱和磁化强度Ms为1.5×106A/m。压电材料采用PVDF,沿y方向施加交流和直流磁场进行分析。

图1 层叠磁电复合结构示意图

2.1 直流偏置磁场对磁电系数的影响

本文分析了在不同直流偏置磁场下,磁电复合材料的磁电系数随频率变化情况。为了便于计算,研究中设置交流磁场强度Hac=1 Oe,频率范围为0～200 kHz,不同直流磁场强度Hdc时αME的变化如图2所示。本文中，磁场强度单位换算如下：1 A/m=4π×10-3Oe。从图2可以看出,在不同直流偏置磁场强度下,该磁电复合材料的谐振频率均为140 kHz,由此可以看出直流偏置磁场强度的改变对谐振频率没有影响,但是对磁电复合结构的磁电系数αME影响较大。从图2a可以看出,在Hdc为100～500 Oe变化时,磁电系数αME随着Hdc的增大而增大；当Hdc为100 Oe时,αME为262.41 V/(Oe·cm),当Hdc为500 Oe时,αME为852.56 V/(Oe·cm)。由图2b可知,当Hdc从1 000～1 600 Oe变化时,磁电系数αME随着Hdc的增大而减小,在Hdc为1 000 Oe时,αME为815.78 V/(Oe·cm)；Hdc为1 600 Oe时,αME为638.69 V/(Oe·cm)。由此表明,直流偏置磁场对磁电复合材料的磁电系数影响较大,其中,存在最优值可以使磁电系数达到最大。

图2 不同直流偏置磁场下αME随Hac和频率的变化

为了得到最佳的直流偏置磁场,本文分析了交流磁场Hac=1 Oe,频率为140 kHz,直流偏置磁场强度从0～5 000 Oe变化时,磁电系数随直流偏置磁场强度Hdc的变化如图3所示。

图3 共振频率下磁电系数αME随Hdc的变化情况

从图3可以看出,当交流磁场强度的大小和频率一定时,随直流偏置磁场强度Hdc的增加,磁电复合材料的磁电系数αME先增大后减小,其中在Hdc=650 Oe时,磁电系数达到最大,为884.54 V/(Oe·cm)。

2.2 交流磁场对磁电系数的影响

本文分析了交流磁场对磁电复合材料磁电系数影响。取直流偏置磁场强度Hdc=100 Oe,交流磁场频率从0～200 kHz变化时,不同幅值交流磁场下磁电系数αME的变化如图4所示。

图4 不同幅值交流磁场下αME随Hac和频率的变化

由图4可知,交流磁场强度的变化对磁电复合材料的磁电系数和共振频率几乎没有影响,而其频率对磁电系数的大小起到主要作用,这是由于在共振频率下,磁电复合结构输出电压最大,磁电系数也最大;而当改变交流磁场幅值时,虽然输出电压增大,即电场增强,同时交流磁场幅值也增大,由(5)式可知,磁电系数几乎没有变化。

3 实验研究

3.1 磁电复合材料的制备

本文利用COMSOL有限元分析软件对磁电复合材料的性能进行分析,实验中选用压电薄膜材料PVDF和稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D制备了2-2型层叠磁电复合材料,各材料的尺寸见表2所列。

表2 磁电复合材料结构尺寸

3.2 磁电系数测试系统

为了测试本文设计的磁电复合材料的磁电系数,本文设计了测试系统，如图5所示。

图5 磁电系数测试系统示意图

该系统主要由磁场产生部分和输出电压采集部分组成,最后根据(5)式计算出磁电系数。磁场包括磁电复合材料上施加的交流磁场和直流磁场,其中交流磁场通过使用信号发生器，经过功率放大为交流线圈提供交变电流产生;直流磁场通过直流稳压电源为赫姆霍兹线圈提供恒定电流产生。实验中,使用万用表检测线圈的电流,便携式数字高斯计时刻测量交、直流磁场的大小。磁电复合材料的输出电压信号通过示波器采集和记录。交、直流磁场测试如图6所示,整个实验测试系统实物如图7所示。

图6 磁场测试图 图7 实验测试系统实物

实验中磁电复合材料放置在交流螺线管线圈的正中间,以确保材料周围的磁场是均匀的,实验中涉及到的固定结构及交直流线圈均为自制,磁电复合材料放置在支撑板上,不受任何外力约束。

3.3 直流偏置磁场对磁电系数的实验研究

利用上述搭建的实验测试系统测试了直流偏置磁场对磁电复合材料磁电系数的影响,实验测试图如图8所示。由于实验系统无法达到仿真中所需要的较大直流偏置磁场,因此在实验系统的有效磁场范围内对其进行了测试。

图8 磁电系数实验测试图

在实验中,通过改变输入赫姆霍兹线圈的电流来改变直流磁场的大小,其结果如图9所示。

图9 磁场测试结果

测试时,输入赫姆霍兹线圈的电流变化范围为0～3 A,测得其输出磁场强度最大可达150 Oe。

其次,测试了所制备的磁电复合材料在不同磁场下的磁电系数,其结果如图10所示。

由图9、图10可知,在0～150 Oe的磁场范围内,由于稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D的饱和磁致伸缩系数较大,在所给有效磁场范围内并未使其达到饱和,使其磁电系数逐渐增大,故而磁电系数近似线性增加,实验与仿真结果基本相符；其次实验结果略小于仿真结果,主要是由于实际测量时,磁致伸缩材料和压电材料之间通过环氧树脂导电银胶粘接,使整体结构变厚,同时也导致材料的杨氏模量E增大,导致同等应力下结构应变变小,从而导致压电层表面电压变小,根据 (5) 式可知复合材料磁电系数变小。而仿真实验时,该层叠磁电复合材料间的耦合视为理想状态。因此在后续的研究中可以将环氧树脂导电银胶层的影响加入仿真综合分析。

图10 磁电系数测试结果

4 结 论

通过COMSOL有限元分析软件建立了超磁致伸缩/压电层叠复合材料模型,分析了外加偏置磁场对磁电复合材料磁电系数的影响,得出以下结论:

(1) 交流偏置磁场大小对磁电复合材料的磁电系数没有影响,而交流磁场的频率对磁电系数的大小起到主要作用。

(2) 磁电复合材料的磁电系数αME随直流偏置磁场Hdc的增加先增大后减小,其中在Hdc=650 Oe时,磁电系数达到最大,为884.54 V/(Oe·cm)。

(3) 通过实验,在直流偏置磁场Hdc=150 Oe范围内最大磁电系数为1.64 V/(Oe·cm),且磁电系数变化趋势与仿真结果相符,实际测试值比仿真值偏小,这是由于试验件制作工艺以及仿真时没有考虑黏结层对磁电系数的影响。