實(shí)驗(yàn)名稱：復(fù)合材料的磁電性能和高頻諧振響應(yīng)

研究方向：材料測試

測試目的：

由于在磁場探測、能量收集等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景，多鐵性磁電復(fù)合材料已經(jīng)引起了持續(xù)的關(guān)注。磁電復(fù)合材料包含磁致伸縮相和壓電相，通過兩相界面進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變傳遞，從而通過對(duì)材料施加交流磁場引發(fā)振動(dòng)，這種振動(dòng)傳遞到壓電相會(huì)引發(fā)電極化，進(jìn)而引發(fā)磁電響應(yīng)。通過兩相材料的選擇、振動(dòng)模式的優(yōu)化，復(fù)合材料磁電耦合系數(shù)明顯提高，特別是近年來剪切磁電系數(shù)受到廣泛關(guān)注，在高頻磁場探測中具有廣闊的應(yīng)用前景，可獲得高的信噪比，先前的工作使用鋱鏑鐵合金和釔鐵石榴石等磁致伸縮材料提供伸縮或剪切應(yīng)力，帶動(dòng)具有較大剪切壓電系數(shù)的鈮鎂酸鉛、鈦酸鎵鑭、聚偏氟乙烯等材料實(shí)現(xiàn)剪切應(yīng)變，制備伸縮-剪切或剪切-剪切振動(dòng)模式磁電復(fù)合材料。而作為一種具有高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm和低介電常數(shù)ε的無鉛壓電材料，鈮酸鋰單晶具有較大的剪切壓電系數(shù)d15和d24，有望實(shí)現(xiàn)大的剪切磁電響應(yīng)；同時(shí)鈮酸鋰可以通過單晶切型變化獲得不同的壓電系數(shù)，有利于設(shè)計(jì)各向異性的剪切振動(dòng)模式磁電器件。因此，通過使用不同切型鈮酸鋰單晶研究剪切磁電系數(shù)具有理論和實(shí)用意義。

測試設(shè)備：機(jī)械夾持裝置、ATA-4014高壓放大器、阻抗頻譜分析儀、鈮酸鋰單晶材料、氧樹脂或α-氰基丙烯酸乙酯、鐵氟龍膠帶。

圖：伸縮-剪切模式磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)過程：

將單片尺寸為16mm×5mm×25μm的3,5,10片Metglas薄片分別用環(huán)氧樹脂粘接成Metglas疊層，從而提高其厚度和磁致伸縮應(yīng)力。使用尺寸為13mm×5mm×0.5mm的鈮酸鋰單晶制備Metglas/LiNbO3/Metglas疊層復(fù)合材料。伸縮-剪切結(jié)構(gòu)的機(jī)械夾持玻璃通過環(huán)氧樹脂或α-氰基丙烯酸乙酯進(jìn)行粘接，制備成疊層磁電復(fù)合材料，其中使用具有不同壓電系數(shù)d15(或d16)的鈮酸鋰xzt/0?,xzt/30?,xyt/0?,xyt/30?,xyt/41?等單晶切型。然后，使用ZJ-6型準(zhǔn)靜態(tài)d33/d31(+d15)測量儀測試鈮酸鋰的剪切壓電系數(shù)，使用阻抗頻譜分析儀測試鈮酸鋰的電容和阻抗頻譜并計(jì)算介電常數(shù)。之后，將尺寸為12mm×5mm×1mm的薄磁帶放于伸縮-剪切結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合材料的單側(cè)或兩側(cè)各放一片，并通過鐵氟龍膠帶固定其位置，使用實(shí)驗(yàn)室自行搭建的測試系統(tǒng)在1kHz時(shí)測試復(fù)合結(jié)構(gòu)的磁電系數(shù)，并在1kHz—1MHz頻率范圍內(nèi)使用ATA-4014功率放大器測試磁電響應(yīng)隨頻率的變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

不同粘接層數(shù)Metglas/LiNbO3(xzt/0?)伸縮-剪切復(fù)合結(jié)構(gòu)分別用環(huán)氧樹脂和α-氰基丙烯酸乙酯粘接機(jī)械夾持玻璃時(shí)的磁電系數(shù)，圖中寫明了相應(yīng)的剪切磁電系數(shù)，計(jì)算剪切磁電系數(shù)的公式為αE15=αE-Clamping?αE-Freedom，其中αE-Clamping表示機(jī)械夾持狀態(tài)測得的伸縮+剪切磁電系數(shù)，αE-Freedom表示機(jī)械自由狀態(tài)測得的伸縮磁電系數(shù)。圖中顯示最優(yōu)直流偏置磁場Hdc隨著Metglas薄片層數(shù)的上升而上升，這是由于更厚的磁致伸縮層需要更大的直流偏置磁場，而在10層Metglas薄片粘接時(shí)需要的直流偏置磁場仍小于100Oe(1Oe=79.5775A/m)，這得益于Metglas在面內(nèi)方向比傳統(tǒng)磁致伸縮材料Terfenol-D擁有更高的磁導(dǎo)率。在5層Metglas粘接時(shí)，磁性層厚度和壓磁系數(shù)的乘積有最優(yōu)值，此時(shí)復(fù)合材料具有最大磁電系數(shù)。當(dāng)把機(jī)械夾持玻璃的粘接劑換為環(huán)氧樹脂時(shí)，剪切磁電系數(shù)從82mV/(cm·Oe)提高到109mV/(cm·Oe)，且更換粘接劑使剪切磁電系數(shù)在不同層數(shù)Metglas的復(fù)合材料中均有提高，這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂比α-氰基丙烯酸乙酯粘接劑具有更高的彈性模量，可以對(duì)Metglas向兩側(cè)的振動(dòng)起到更好的抑制效果，使振動(dòng)能量更多地施加在壓電相上。為了證實(shí)剪切磁電系數(shù)和壓電系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過準(zhǔn)靜態(tài)d33/d31(+d15)測量儀實(shí)測了鈮酸鋰單晶的剪切壓電系數(shù)d15。結(jié)果表明實(shí)測剪切壓電系數(shù)和理論值能夠較好符合，鈮酸鋰xzt/30?切型的最大d15為77pC/N，實(shí)測值略小于理論值，是由于購買的正常切型鈮酸鋰剪切壓電系數(shù)66pC/N也小于理論值74pC/N。為了研究晶體方向和介電常數(shù)的關(guān)系，使用阻抗頻譜分析測試了鈮酸鋰的電容。尺寸為13mm×5mm×0.5mm的鈮酸鋰晶片電容值Cp和頻率f的關(guān)系，xyt和xzt系列切型鈮酸鋰在頻率為1kHz時(shí)的電容值均為90pF，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)εT11為80，與理論結(jié)果一致。

圖：粘接不同層數(shù)Metglas伸縮-剪切復(fù)合結(jié)構(gòu)磁電系數(shù)αE15與直流偏置磁場的關(guān)系

安泰ATA-4014高壓功率放大器：

圖：ATA-4014高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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