层状磁电复合材料谐振频率下的巨磁电容效应鄢.pdf

物 理 学 报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援员园 渊圆园员员冤摇 员园苑苑园圆訫圆园员员 中国物理学会 悦澡蚤灶藻泽藻 孕澡赠泽蚤糟葬造 杂燥糟蚤藻贼赠摇 澡贼贼责院辕 辕 憎怎造蚤曾遭援 蚤责澡赠援 葬糟援 糟灶员园苑苑园圆鄄员 摇 摇 摇 摇层状磁电复合材料谐振频率下的巨磁电容效应鄢王摇 巍摇 罗小彬摇 杨丽洁摇 张摇 宁覮渊南京师范大学物理科学与技术学院袁磁电子学实验室袁 南京摇 圆员园园源远冤渊圆园员园 年 员圆 月 员苑 日收到曰圆园员员 年 员 月 圆园 日收到修改稿冤摇 摇 对三明治复合结构 栽遭曾阅赠员 原 曾云藻圆 原 赠辕 孕遭渊在则袁 栽蚤冤韵猿辕 栽遭曾阅赠员 原 曾云藻圆 原 赠的电容与频率及磁场的函数关系进行了实验和理论研究援 实验发现袁该复合材料样品的电容随频率的增加而出现多个谐振峰袁并且其谐振点随磁场的增加而发生频移援 在谐振点附近袁观察到样品的阻抗随磁场的增加由容抗性转变为感抗性袁从而同时观察到巨大的正磁电容效应和负磁电容效应援 由复合材料的弹性力学本构方程出发袁对该类样品的电容随频率及磁场的变化进行了理论模拟援 结果显示袁模拟曲线与实验结果符合得很好援 理论表明该磁致伸缩辕 压电复合材料的磁电容效应源于磁场诱变的铁磁相柔顺系数援关键词院 层状复合材料袁 界面弹性耦合袁 磁电容效应孕粤悦杂院 苑苑援远缘援原 躁袁 苑缘援缘园援 月遭袁 苑苑援愿源援 阅赠鄢国家自然科学基金渊批准号院缘园怨苑苑园源远冤资助的课题援覮 通讯联系人援 耘鄄皂葬蚤造院扎澡葬灶早灶蚤灶早岳 灶躁灶怎援 藻凿怎援 糟灶员郾 引言外磁场引起材料电容或介电常数的变化称为磁电容效应袁磁电容传感器在磁场探测尧智能滤波尧磁存储中具有重要应用价值咱员要猿暂援 迄今袁关于磁电 容效应的物理起源有两种观点院员冤由于铁电相和铁磁相的磁电耦合产生的磁电容效应咱源要愿暂袁圆冤由磁电 阻诱导的 酝葬曾憎藻造造鄄宰葬早灶藻则 效应产生的磁电容效应咱怨要员员暂援 人们对由这两种起源引起的磁电容效应进行了大量研究袁例如袁尖晶石结构的锰锌铁氧体袁在猿郾 缘 噪韵藻渊员 韵藻 越苑怨郾 缘苑苑缘 粤辕 皂冤磁场下袁 谐振频率 苑酝匀扎袁室温磁电容可达 员愿园园豫咱怨暂郾 压电陶瓷 月葬栽蚤韵 猿 和具有磁致伸缩性的 晕蚤 纳米颗粒复合材料的室温磁电容在 圆 噪韵藻 磁场下可达 员园豫袁在 缘 噪韵藻 磁场下 可达 猿园园豫咱远袁员圆暂援最近袁允葬灶早 和 云蚤灶葬 等分别从理论和实验对多铁性材料的常温磁电耦合系数与其磁渊介电冤电容系数之间的关系进行了研究袁发现两者之间存在关系式咱员猿袁员源暂悦酝越字耘 耘园⎛ ⎝⎜⎞ ⎠⎟匀凿糟袁渊员冤其中袁 悦酝越悦渊匀冤 原 悦渊园冤 悦渊园冤为磁电容系数袁 悦渊匀冤 及悦 渊园冤分别为有磁场强度为 匀 和零场下的电容袁可以计算样品在不同频率下的磁电容袁 如频率为员愿苑郾 远缘 噪匀扎 时袁磁场为 员郾 远苑 噪韵藻 时袁正磁电容可达圆猿源园园豫袁该数值远大于最新报道的 员愿园园豫 的磁电容咱怨暂援 字耘为磁电耦合系数袁 耘园为激励电场振幅袁 匀凿糟为偏置磁场强度援 渊员冤式表明袁在一定的偏置磁场下袁磁电耦合系数与磁电容系数成正比袁那么具有强磁电耦合性能的材料应同样具有强磁电容效应援但是袁已有的实验结果显示具有大的磁电耦合效应的磁电复合材料袁其磁电容效应并不明显咱远袁员圆暂援 这是因为影响磁电耦合的因素不仅与铁电尧铁磁之间的耦合有关袁激励信号的频率也是重要的因素援 层状复合磁电材料研究表明袁在铁电和铁磁复合材料的谐振频率处的磁电电压远大于非谐振频率处的磁电电压咱员缘袁员远暂袁文玉梅等对层状复合结构的磁电响应频率特性理论和实验研究也证明这一点咱员苑暂援 并且袁铁电材料的电容或介电常数与信号频率有关援所以研究磁电复合材料的磁电容效应在考虑其具有大的磁电耦合系数的同时袁其谐振频率也是决定其磁电容效应的关键因素援本文报道了由铽镝铁 栽遭曾阅赠员 原 曾云藻圆 原 赠渊栽藻则枣藻灶燥造鄄阅冤和锆钛酸铅 孕遭渊在则袁栽蚤冤韵猿渊孕在栽冤构成的三明治复合结构在其谐振频率处室温巨磁电容效应及磁场物 理 学 报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援员园 渊圆园员员冤摇 员园苑苑园圆员园苑苑园圆鄄圆 摇 摇 摇 摇诱导的谐振频移援圆郾 复合材料电容渊悦遭冤的理论模型圆郾 员郾 磁致伸缩辕 压电双层复合材料的电容摇 摇 层状磁电复合材料之间的耦合是应力鄄应变的耦合袁三层复合结构如图 员 所示援图 员摇 栽藻则枣藻灶燥造鄄阅辕 孕在栽 三层复合结构示意图由弹性力学模型咱员愿暂得到压电相和磁致伸缩相本构方程为责杂 员越责泽 员员责栽 员垣责凿 猿员责耘 猿袁渊圆冤责杂 圆越责泽 员圆责栽 员垣责凿 猿员责耘 猿袁渊猿冤责阅 猿越责凿 猿员责栽 员垣责着 猿猿责耘 猿袁渊源冤皂杂 员越皂泽月 员员皂栽 员垣皂择 员员匀员袁渊缘冤皂杂 圆越皂泽皂 员圆皂栽 员垣皂择 员圆匀员袁渊远冤式中责杂 蚤袁皂杂 蚤袁责栽 蚤袁皂栽 蚤袁责阅 猿渊蚤 越 员袁圆援 责袁皂 代表压电 相和磁致伸缩相冤分别是应力尧应变尧电位移袁 耘猿袁匀员分别为电场强度尧磁场强度袁责泽 员员袁责泽 员圆是压电体恒定 电场下的弹性柔度系数袁责着 猿猿和责凿 猿员是压电体的介电常数尧压电系数援皂泽月 员员袁皂泽月 员圆是磁致伸缩相的弹性柔度系数袁并且皂泽月 员员越皂泽 员员原皂择圆 员员渊匀冤 垣皂择圆 员圆渊匀冤 滋员员袁 磁致伸缩相的弹性柔度系数随 员 方向磁场发生变化咱员怨暂袁皂泽 员员是 恒 定 磁 场 下 的 弹 性 柔 度 系 数袁皂择 员员越凿姿员员 凿匀员袁皂择员圆越凿姿员圆 凿匀员是压磁系数袁 姿员员袁姿员圆是磁致伸缩系数袁 随着 磁场的 变化 而不同袁 滋员员是磁导 率援皂泽月 员圆越皂泽 员圆原皂择圆 员员渊匀冤 垣皂择圆 员圆渊匀冤 滋员员袁 假设层间为理想耦合袁责杂 蚤越皂杂 蚤援 由于施加的信号电场是按简谐规律变 化的袁则层合材料的运动方程咱圆园暂籽要坠圆怎 曾 坠贼圆越 灶坠责栽员 坠曾垣 渊员 原 灶冤坠皂栽员 坠曾袁渊苑冤其中 怎曾是层合材料沿 曾 方向的位移袁 籽要越 灶责籽 垣 渊员 原灶冤皂籽 是层合材料的平均质量密度袁 灶 压电相的体积分数袁责籽 和皂籽 分别是压电相和磁致伸缩相的质量密度援 由方程 渊圆冤和 渊缘冤袁 将解出的责栽 员和皂栽 员代入方程渊苑冤袁 利用责杂 员越皂杂 员越坠怎曾 坠曾袁 运动方程可写成坠圆怎曾 坠贼圆越 增圆坠圆怎曾 坠曾圆袁渊愿冤其中袁 增 是复合材料的声速袁增 越灶 皂泽月 员员垣员 原 灶 耘泽 员员()辕 籽袁由于 怎曾渊贼冤 是按简谐规律变化袁 怎曾渊贼冤 越 粤糟燥泽渊棕贼 垣渍冤袁 复数形式为 怎曾渊贼冤 越 粤藻躁渊棕贼垣渍冤袁 设初相 渍 越 园袁 边界条件为 曾 越 园袁曾 越 造袁造 是复合材料的长度援 复合材料的速度为 怎窑 员越 躁棕怎曾渊曾 越 园冤袁怎窑 圆越 躁棕怎曾渊曾 越 造冤援 解方程渊愿冤可得怎曾越怎窑 员泽蚤灶噪渊造 原 曾冤 垣 怎窑 圆泽蚤灶噪曾 躁棕泽蚤灶噪造袁渊怨冤噪 越棕 增是波数袁 棕 是角频率援再由方程渊圆冤可得责栽 员越责杂 员原责凿 猿员耘猿 责 员员代入方程渊源冤袁责阅 猿越责凿 猿员责杂 员 责泽 员员垣责着 猿猿原凿圆猿员 责泽 员员⎛ ⎝⎜⎞ ⎠⎟耘猿袁则平均电位移为责軍阅 越员 宰造乙宰园凿曾乙造责园阅猿凿赠 越责凿 猿员 责泽 员员怎窑 员原 怎窑 园()垣责着猿猿耘猿援渊员园冤宰 是样品的宽度援 介电常数的定义为 着猿猿越坠軍阅猿 坠耘猿袁 则样品的介电常数为着猿猿越责着 猿猿垣责凿圆 猿员 责泽 员员伊灶咱皂泽 员员原 渊皂择圆 员员垣皂择圆 员圆冤 辕 滋员员暂 渊员 原 灶冤责泽 垣 灶咱皂泽 员员原 渊皂择圆 员员垣皂择圆 员圆冤 辕 滋员员暂[伊圆贼葬灶噪造辕圆 噪造原 员]袁渊员员冤其中袁 噪 越 棕籽要灶 责泽 员员垣员 原 灶 皂泽 员员原 渊皂择圆 员员垣皂择圆 员圆冤 辕 滋员员[]原员 袁灶 越 灾责辕 渊灾责垣 灾皂冤 为压电相的体积分数援 样品的电容可表示为 悦遭越 着猿猿粤辕 贼袁粤 是样品的横截面积袁 贼 是孕在栽 的厚度援 从方程渊员员冤可见袁材料的介电常数是信号频率 棕 和压磁系数皂择 员员和皂择员圆的函数袁而压磁物 理 学 报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援员园 渊圆园员员冤摇 员园苑苑园圆员园苑苑园圆鄄猿 摇 摇 摇 摇系数是磁场的函数袁所以复合材料的介电常数或电容同时是信号频率和磁场的复合函数援圆郾 圆郾 三层结构磁致伸缩辕 压电复合材料的电容 悦贼摇 摇 在研究层状磁电复合材料的电压输出或磁电系数时袁往往只是考虑三层结构的平均密度和压电相的体积分数咱员愿暂袁但是由于两层磁电复合材料之间的应力作用可能会导致磁致伸缩相与压电相之间的非线性弹性耦合袁因此利用双层结构的理论计算的磁电系数的理论值经常与双层结构磁电系数的实验值不符咱圆员暂援 这是由于双层结构理论中假设样品在外场作用下不存在任何扭曲形变袁从而压电相与磁致伸缩相之间的弹性耦合是线性的援 而将双层结构理论应用到三层结构中时袁却发现其理论值与实验值更相近袁这可以认为是由于压电相的上下表面应力是关于中轴线 晕渊见图 员冤对称的袁从而其层间弹性耦合是线性的援 磁致伸缩辕 压电辕 磁致伸缩三层复合结构的电容可由双层理论推演出来援 设想将中间的压电层从中间平分袁则将与上下表面粘接的磁致伸缩层构成两个双层结构袁则由等效电路法则袁三层磁电复合结构的电容 悦贼可看成是两个双层结构电容的串联援 如果两个磁致伸缩层的形状一致袁则两个双层结构的电容相等袁于是员 悦贼越员 悦遭员垣员 悦遭圆越圆 悦遭援 由渊员员冤式可得悦贼越粤 圆贼责着 猿猿垣粤 圆贼责凿圆 猿员 责泽 员员伊灶皂泽 员员原 渊皂择圆 员员垣皂择圆 员圆冤 辕 滋员员[]渊员 原 灶冤责泽 员员垣 灶咱皂泽 员员原 渊皂择圆 员员垣皂择圆 员圆冤 辕 滋员员暂[伊圆贼葬灶噪造辕圆 噪造原 员]援渊员圆冤猿郾 栽藻则枣藻灶燥造鄄阅辕 孕在栽 三明治结构磁电容 效应实验研究摇 摇三层磁电复合材料由铽镝铁 栽遭曾阅赠员 原 曾云藻圆 原 赠渊栽藻则枣藻灶燥造鄄阅冤和锆钛酸铅 孕遭渊在则袁栽蚤冤韵猿渊孕在栽冤构成袁栽藻则枣藻灶燥造鄄阅 和 孕在栽 均切割成长条状援 尺寸分别为 圆园皂皂 伊苑 皂皂 伊 圆 皂皂 和 圆圆 皂皂 伊 苑 皂皂 伊 圆 皂皂援 孕在栽比 栽藻则枣藻灶燥造鄄阅 略长以便制备电极援 用快干型胶水将一条 孕在栽 与 栽藻则枣藻灶燥造鄄阅 黏接成三明治结构袁如图 员所示援 栽藻则枣藻灶燥造鄄阅 的磁致伸缩沿长度方向袁孕在栽 的极化沿厚度方向援 在 孕在栽 垂直于厚度方向的两个平面上引出电极袁并连接交流电桥渊栽匀圆愿圆远辕 粤袁 测试范围是 圆园要圆 酝匀扎袁 常州同惠电子有限公司冤用来测量电容援 电磁铁提供偏置磁场袁磁场的方向沿样品的长度方向援首先观察了不同磁场下样品电容随频率的变化袁结果如图圆 所示援 零磁场下袁在员愿园要圆员园 噪匀扎 的频段内袁样品的电容在 员怨愿郾 猿员 和 圆园圆郾 怨员 噪匀扎 两个频率下产生共振袁当施加员郾 缘 噪韵藻 磁场时袁在员愿苑郾 缘苑和 员怨源郾 缘员 噪匀扎 产生电容的共振袁即袁磁场使共振频率发生变化援 在新的谐振频率下袁样品的电容值也发生了变化袁并且在共振点附近随磁场的增加器件的电容可由正变负袁这说明器件的阻抗随磁场的增加由容抗性质转变为感抗性质援 由此可见袁磁场使谐振频率的变化可导致电容的变化援图 圆摇 实验测得三层结构在不同磁场下电容随频率的变化关系曲线图猿摇 谐振频率随磁场的变化渊枣园为零磁场时的谐振频率袁驻枣 越 枣原 枣园冤另外袁谐振频率随磁场的变化也可以是负的袁如图 猿 所示援 在 园要园郾 源 噪韵藻 磁场之间袁谐振频率随。