层状复合材料磁电效应的数值分析.pdf

万红等:层状复合材料磁电效应的数值分析509

层状复合材料磁电效应的数值分析3

万红,吴学忠,刘希从
(国防科技大学,湖南长沙410073)

摘要:压电与压磁(或磁致伸缩)层合板具有大的Fe2合金之间夹一层PLZT压电材料,然后层与层之
乘积效应2磁电效应。本文采用有限元分析方法对压间通过粘接剂粘接在一起获得层状磁电材料,并且试
电/压磁层合板的磁电转换进行了计算,结果表明:外验发现利用这种层状复合方法制备出的磁电材料其磁
磁场方向对磁电转换效应有很大的影响,在层合板上电电压系数远远高于混相法制备出来的磁电材料,其
下两面增加约束可以大大提高层合板的磁电转化效室温下的磁电电压系数最大值达到了5850mV/A。
应;感生电压值随压磁/压电板厚比的增加而增加,而层状磁电复合材料的主要特点是材料结构简单,制备
整个层合板的电场强度值在板厚比为时达到最大。
1方法简单,而且磁电效应大。
关键词:磁电效应;层合板;有限元计算
影响复合材料磁电转化的因素很多,如各组元的
中图分类号文献标识码
:TM27:A性能、体积分数及界面耦合状态及应力夹持状态等。
文章编号:100129731(2005)0420509204
一般而言,压电相的高压电常数及磁致伸缩相的大磁
1引言致伸缩系数均有利于获得大的磁电转换系数,而外激
励场的方向及层合板的应力边界条件对磁电转化效应
磁电效应是指材料在外加磁场δH的作用下产生
的影响较为复杂。从理论分析分析上看,磁电复合材
电极化δP的现象或材料在外加电场作用下产生诱导
料的磁电效应的主要分析方法包括弹性力学方法[8]、
磁化的现象,即δP=αδH,其中α称为磁电系数;若定
Green函数法[9]及等效电路法[10]。这些方法分别对
义αE=ΔE/δH为磁电电压系数(E为感生电场强
磁电系数的数学解析式进行了推导,但由于假设条件
度),则α=ε0εrαE,(ε0为真空介电常数,εr为相对介电
及磁电转换模型的不同,这些磁电系数表达式具有不
常数)。α及αE是表征磁电转化效应大小的重要物理
量[1]。当外磁场一定时,可以用E的大小直接衡量磁同的适用范围,而对于磁电复合材料的数值计算分析
电转换系数的大小。磁电材料在微波领域、电流测量、较少,Liu等人[11]采用有限元分析方法很好地对自由
磁探测及磁感应等方面有广泛的应用前景[2]。状态的磁电层合板在交变磁场作用下的磁电转换性能
具有磁电效应的材料可以分成两类:单相材料和进行了分析。本文也采用有限元数值分析方法,对静
复合材料。到目前为止,所研究的单相材料的磁电电磁场条件下,外磁场方向及层合板的夹持状态对磁电
压系数较小,在1～25mV/A的范围,并且它们的居里转化系数的影响规律进行了研究,为磁电材料应用于
温度大都远低于室温。磁电复合材料为压磁相(或磁传感器件、优化结构设计打下基础。
致伸缩相)和压电相的两相复合,其乘积效应为磁电效
数值分析方法
应:2
磁机械
磁电×有限元计算软件ANSYS可以对结构、热、流体及
=机械电磁电
电磁场等多物理场进行分析,但它不能直接用于分析
实验与理论研究表明磁电复合材料的磁电效应远
磁致伸缩效应。考虑到磁电层合板的磁性层在外磁场
高于单相材料的磁电效应,因此成为研究的重点[3～5]。
作用下,产生各向异性的伸长或收缩,为此,利用AN2
磁电复合材料主要有两种结构:一是颗粒混合结构;一
SYS8.0多物理场软件的热结构分析功能,将磁性层
是层合结构。实验研究表明,层状复合材料的磁电效
[6]的磁致伸缩效应类比为其各向异性的热膨胀效应,外
应远大于混相复合材料。如G.Srinivasan等人利
磁场的作用类比为温度的作用。无约束条件下材料
用薄膜层状复合的技术制备出了CFO2PZT(镍铁氧,
体2锆钛酸铅压电陶瓷)磁电复合材料,其双层膜复合在温度场T的作用下沿X、Y、Z方向所产生的应变量
结构的磁电电压系数达到575mV/A,多层膜复合结为(α1×T、α2×T、α3×T),其中α1、α2、α3为3个方向
构的磁电电压系数达到了1.87V/A,而混相法制备的的热膨胀系数;当磁致伸缩材料在平行1轴方向(X方

CFO2PZT颗粒复合材料的磁电电压系数最大为向)磁场H作用下,磁性薄膜所产生的应变量为(q11
[7]
143mV/A。JunghoRyu及其合作者在两层TbDy2×H、q12×H、q13×H),当磁致伸缩材料在平行3轴

3基金项目:国家自然科学基金资助项目(50375154)
收稿日期:2004208230通讯作者:万红
作者简介:万红(1966-),女,湖南长沙人,国防科技大学材料工程与应用化学系副教授,硕士,主要从事复合材料及功能
薄膜的研究工作。
510功能材料2005年第4期(36)卷

方向(Z方向)