摘 要

磁电复合材料是一种新型功能材料，拥有广阔的发展前景，已成为新的研究热点之一。本文研究了一种以磁力驱动的高磁导率铁氧体/压电体新型磁电复合材料。根据常见压电振子的工作模式，结合磁力驱动的特点，分别设计了基于拉伸模式、弯曲模式和悬臂梁等三种形式的复合结构磁电器件，并用控制变量法，调节偏置场的大小和信号发生器输出信号的频率，分别测量磁电效应对偏置场和频率的响应。研究结果表明，以磁力驱动的高磁导率铁氧体/压电体磁电复合材料可得到较强的磁电效应，且单悬臂梁模式优于其它两种模式，可以产生更好的磁电响应。

关键词：磁电复合材料；磁电效应；谐振频率；压电振子；单悬臂梁

Abstract

Magnetoelectric composite material is a new type of functional material, which has broad prospects for development and has become one of the new research hotspots. This paper focuses on a new-type magnetoelectric composite consisting of high permeability ferrites and piezoelectric plate driven by magnetic force. The design and operating mode of a high-permeability ferrite/piezoelectric ceramic composite structure of magnetoelectric composite materials depends to a large extent on the operating mode of the piezoelectric resonator. In this paper, based on the working mode of common piezoelectric vibrators and combining the characteristics of magnetic drive, three types of composite structure magnetoelectric devices based on stretching mode, bending mode and cantilever beam are designed respectively, and the bias field is adjusted by the control variable method. The size and frequency of the signal generator's output signal measure the magnetoelectric response to the bias field and frequency, respectively. The results show that giant magnetoelectric effect can be achieved in high permeability/piezoelectrics composites, and the single cantilever mode is superior to the other two modes to produce a better magnetoelectric response.

Key words: Magnetoelectric Composite; Magnetoelectric Effect; Resonant Frequency; Piezoelectric resonator; Single cantilever beam

目录

第一章 绪论 1

1.1磁电效应 1

1.1.1磁电效应的定义 1

1.1.2磁电效应的研究历史及现状 1

1.2磁电材料 2

1.2.1磁电材料的分类 2

1.2.2单相磁电材料 2

1.2.3磁电复合材料 3

1.2.4磁电材料的研究历史及现状 4

1.3研究内容以及意义 5

第二章 实验 5

2.1 实验样品制备 5

2.1.1高磁导率铁氧体 5

2.1.2压电材料 6

2.2压电片的工作模式 6

2.3样品的制备和磁电性能表征 6

2.3.1样品的制备 6

2.3.2磁力磁电效应的测量 6

2.4 基于拉伸振动的磁力磁电效应 7

2.5 基于弯曲振动模式的磁力磁电效应 9

2.6单悬臂梁结构的磁力磁电效应 11

2.7磁导率对磁力磁电效应的影响 13

第三章 悬臂梁理论的理论分析 14

3.1理论模型建立 14

3.2理论分析 15

第四章 总结及展望 16

4.1结果与讨论 16

4.2展望 17

致谢 18

参考文献 19

1. 绪论

1.1磁电效应

1.1.1磁电效应的定义

磁电效应有多种分类方法，可以按正逆分类，也可以按广义与狭义分类。按前者分可分为正磁电效应和逆磁电效应。按后者分可分为广义的磁电效应和狭义的磁电效应。正磁电效应与广义磁电效应类似，就是指磁电材料在磁场中所产生的电效应。逆磁电效应与狭义磁电效应类似，就是指磁电材料在电场中被感应磁化的现象。

1.1.2磁电效应的研究历史及现状

关于磁电效应的研究历史悠久，源远流长。按时间顺序来讲，磁电效应的萌芽产生是在1888年。Röntgen发现介质在电场中运动时总会产生一些有趣的现象，之后的研究表明介质被磁化了^[1]。随后这一现象的逆过程也在17年后被发现，换句话说，当介质在磁场中运动时，它将被极化^[2]。1894年，P.Curie综合考虑了这一现象产生的原因，同时认真分析了这一结果的对称性和非对称性。不久后他提出了对称性原理，并提出了非移动介质在磁场中磁化或在电场中磁化的大胆假设^[3]。居里夫人很有创造力和想象力，他所提出的这个假设在他所处的那个时代是完全不敢设想的。在他所处的那个时代，关于物质磁性的研究一直是一个谜。至于物质铁电性的研究则更是一个难题。因为在那个时代我们现在熟知的量子力学还没有出现，所以很多问题无法建立模型并加以解决。同时一些数据是人力不能解决的，必须借助于大型计算机。这就导致很多人在Curie的论断下而展开的实验几乎都没有成效^[4]。不过有舍必有得，虽然大部分人都失败了，但磁电效应的慨念却渐渐清晰起来，术语“magnetoelectric”就在这一阶段中被提出^[7]。

居里夫人对磁电效应的研究对后代有着深远的影响。20世纪50年代中后期, Lan-dau和Lifshitz对电极化和磁化之间的线性耦合做出了更严格的预测并且公式化^[5]。之后, 1959年，Dzyaloshinskii开展有关对称性的研究，按照要求，提出反铁磁相存在磁电效应的假设^[6]。Astrov在几个月后的实验中观测到了Cr₂O₃的正磁电效应。Folen和Rado等在不久后证实逆磁电效应。正逆磁电效应的证实在学术界引起了不小的轰动，从此之后，科学家们开始致力于从研究磁电效应产生的原因。8年后，Hornreich和Shtrikman1在微观立场上解释了Cr₂O₃中磁电效应的起因^[7]。20世纪50年代末，Smolensky和Ioffe合成了同时具有铁电性和弱铁磁性的陶瓷形态反铁磁Pb(Fen₅Nba₅)O₃^[8]。之后，Brown在微扰理论的基础上得到了磁电耦合系数的上限^[9]。

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