（凝聚态物理专业论文）铁磁铁电复合材料应力微振发电器件的研制.pdf

摘要 摘要 本文主要研究铁磁铁电复合材料在微振动环境下( 波动应力场中) 的发电机理 及应力微振发电器件的制备。我们首先研究了铁磁材料中的应力变磁导效应，即磁 性材料在外加应力的作用下产生的磁导率的变化。我们将磁性材料置于静态力场中， 由于磁性材料受到挤压发生机械形变从而导致其内部磁序发生变化，相应的材料的 磁导率也发生变化，这一变化可以通过绕在磁芯上线圈中的电感变化看出，我们知 道线圈中的电感三= 2 矿。彩，因此，改变应力可以改变电感。由实验研究我们得 到，线圈中的电感与应力成反比。然后，我们利用铁电材料在电场中的电致伸缩引 起铁磁材料的机械形变，改变电场的强度，同样通过线圈中的电感变化研究内应力 变化引起的磁序变化及其规律。由以上研究我们得到，改变应力( 包括内应力和外 应力) 可以改变复合材料内的电序和磁序，在探测线圈中有电感的变化。当我们在 复合材料中的铁电材料上加交变电场时，在线圈中可测得感应电压，分析可得，这 是由于外加的交变电场诱导铁电材料发生周期性电致伸缩，铁磁铁电复合材料中磁 序和电序也发生周期性振动引起的，我们研究了感应电压与外加电场频率的变化关 系。接着，我们撤去外加电场，研究材料在波动应力场中感应线圈中的电量，比较 铁磁单相材料与铁磁铁电复合材料，得到复合材料中产生的电量更为明显，因此我 们利用铁磁铁电复合材料制成应力微振发电器件，并测量计算其发电功率，得到在 接入负载为1 0 0 0 欧时，负载的功率为0 0 6 6 1 0 “w ，比较小。为增大负载的功率，我 们设计将铁磁铁电复合材料应力微振发电器件集成，实验中我们选取三片铁磁铁 电复合材料应力微振发电器件集成，并再次测量负载功率得到，在接入负载为1 0 0 0 欧时，负载的功率为0 2 2 7 x 1 0 面w ，约是单片时的3 4 倍，因此，利用集成的方法可 摘要 以将负载上的功率提高到足够大，因此，大规模的集成可以实现并制成大功率的铁 磁铁电复合材料应力微振发电器件，实现将机械振动能量转化成电能，这样的发电 方式不仅实现了对能源的再次利用，还是一种绿色发电方式，因此其具有很高的研 究价值和广泛的应用前景。 关键词：锰锌铁氧体p z t 应力变磁导电致变磁导效应电磁效应 发电器件 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w ed i s c u s s e dh o wt ou s ef e r r o m a g n e t i c f e r r o e l e c t r i cc o m p o s i t em a t e r i a l s t od e v e l o p e di n t op o w e rd e v i c e s w ef i r s ts t u d i e dt h ee f f e c to fs t r e s sc h a n g em a g n e t i c p e r m e a b i l i t yi nf e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l s u n d e rt h ea p p l i e ds t r e s s ，t h ea c t i o no fm a g n e t i c p e r m e a b i l i t yc h a n g e si nm a g n e t i cm a t e r i a l s w ep l a c e dm a g n e t i cm a t e r i a li nt h ef i e l do f s t a t i cs t r e s s ，m a g n e t i cm a t e r i a l sh a p p e n e dm e c h a n i c a ld e f o r m a t i o no c c u r se x t r u s i o n , t h e i n t e r n a lm a g n e t i cs e q u e n c ec h a n g e s ，t h er e l e v a n tm a t e r i a l so fm a g n e t i cc o n d u c t i v i t ya l s o p r o d u c e sc h a n g e ，a n dt h i sc h a n g ec a r lk n o wb yi n d u c t a n c ec h a n g ei nc o i la r o u n do n m a g n e t i c ，w ek n o wt h a tc h a n g e st h ei n d u c t a n c e l = n 2 衔，t h e r e f o r e ，c h a n g et h e s t r e s sc a r lc h a n g et h ei n d u c t a n c e b ye x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，w eg e tt h ei n d u c t a n c ec o i li s i n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt os t r e s s t h e n ，w eu s eo ff e r r o e l e c t r i cm a t e r i a l si nt h ef i e l do f e x p a n s i o no ff e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l sb ym e c h a n i c a ld e f o r m a t i o n ，t h ec h a n g eo ft h e e l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h ，a n da l s ot h r o u g ht h ei n d u c t a n c ec o i ls t r e s sc a u s e db yc h a n g e si nt h e s t u d yo fm a g n e t i cs e q u e n c ec h a n g e sa n dr e g u l a r i t y w eg e tf r o ma b o v er e s e a r c h , c h a n g e t h es t r e s s ( i n c l u d i n gs t r e s sa n dt h es t r e s so fc o m p o s i t em a t e r i a l ) c a l lc h a n g ei ne l e c t r i c a l a n dm a g n e t i cs e q u e n c e ，t h e r ei st h ec h a n g eo ft h ei n d u c t a n c ei nd e t e c t i n gc o i l w h e nt h e c o m p o s i t ef e r r o e l e c t r i cm a t e r i a l sh aa l t e r n a t i n ge l e c t r i cf i e l d ，a d di nc o i l o fi n d u c t i v e v o l t a g em e a s u r e m e n t ，a n a l y s i sc a i lk n o w ，i ti sb e c a u s eo fa l t e r n a t i n ge l e c t r i c f i e l d i n d u c t i o na n df e r r o e l e c t r i c m a t e r i a l s ，e l e c t r i c a l c o n d i t i o n s o c c u r p e r i o d i c a l l y f e r r o m a g n e f i c f e r r o e l e c t r i cc o m p o s i t em a t e r i a l sa n dt h es e q u e n c eo fm a g n e t i cs e q u e n c eo f p e r i o d i cv i b r a t i o na l s oh a p p e n ，w es t u d yt h ei n d u c t i v ev o l t a g ea n df r e q u e n c yo ft h e - i i i a b s t r a c t a p p l i e de l e c t r i cf i e l d t h e n ，w er e m o v ee l e c t r o d e b i o l o g y ，r e s e a r c hm a t e r i a l si nf l u c t u a t i o n i nt h ee l e c t r i c f i e l d ，i n d u c t i o nc o i l s o ff e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l sa n d s i n g l e - p h a s e f e r r o m a g n e t i c f e r r o e l e c t r i cc o m p o s i t em a t e r i a l s ，c o m p o s i t em a t e r i a l sp r o d u c e di nq u a n t i t y i sm o r ea p p a r e n t ，t h e r e f o r ew eu s ef e r r o m a g n e t i c f e r r o e l e c t r i cc o m p o s i t em a t e r i a l ss h o u l d b ed e v e l o p e di n t op o w e rd e v i c e s ，c a l c u l a t e st h el o a di s10 0 0q ，t h el o a dp o w e ri s 0 0 6 6x10 “w ，s m a l l e r t oi n c r e a s et h el o a d p o w e r ，w ed e s i g n a n d i n t e g r a t e f e r r o m a g n e t i c f e r r o e l e c t r i cc o m p o s i t em a t e r i a l sp o w e rd e v i c e s ，e x p e r i m e n t sw es e l e c t t h r e e f e r r o m a g n e t i c f e r r o e l e c t r i cc o m p o s i t em a t e r i a l s v i b r a t i o n g e n e r a t i o n d e v i c e i n t e g r a t i o n ，a n d 起地m e a s u r i n gl o a dp o w e ri s0 2 2 7x 10 “ww h e nl o a di s10 0 0q ， t h e r e f o r e ，t h ei n t e g r a t e dm e t h o do fu s i n gt h ep o w e rl o a dc a l lb er a i s e dt ol a r g ee n o u g h b a s e do nt h i se x p e r i m e n t ，w eg a l lg e tp o w e r g e n e r a t i n gd e v i c e t h eg e n e r a t o rc a r lr e a l i z e t h em e c h a n i c a le n e r g yi n t oe l e c t r i c a le n e r g yi nv i b r a t i o ne n v i r o n m e n t ，w i d ea p p l i c a t i o n r a n g e ，a n d1 1 0p o l l u t i o nt oe n v i r o n m e n t ，s ot h es t u d yo fh i g hv a l u ea n db r o a dp r o s p e c to f a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：m a l z nf e r r i t e p z tf o r c ec h a n g em a g n e t i cp e r m e a b i l i t ye f f e c t e l e c t r i c i t yc h a n g em a g n e t i cp e r m e a b i l i t ye f f e c t e l e c t r o m a g n e t i ce f f e c t p o w e rd e v i c e s i v 第1 章引言 第1 章引言 自然界中所有运动物体( 汽车、列车、舰船、飞机等) 的表面及内部，以及 承载运动物体的平台( 公路及铁路等) 的表面或浅近表面都持续存在着低频 ( 1 0 1 ，1 0 2 h z ) 和微幅( 。1 0 叫m m ) 机械振动。事实上任何运动物体的能耗均有相当 部分转化为自身及周围物体的机械振动能量。另外，海浪及风能等亦可提供可观 的振动能量。如果能将这样的低频微幅机械振动能转化为电能( 或其它形式可资 运用的能量) ，则将是又一种绿色能源获取方式。 利用振动能量发电的报导最早见于1 9 9 6 年。w i l l i a m s 等人首次研制了一种振 动发电的微电机( m e m s ) 系统【。其后不少学者对此进行了研究与改进，并使发电 效能有了较大的提高【2 - 4 1 。其中以b e e b y ( 英国) 为首的欧洲科学家小组在该领域 进行了较多的工作d - s 。尽管自2 0 0 1 年以来，微振发电技术已取得可观进展，但 其思路仍基本上沿用m e m s 技术，并且将所得结果用于构建自带电源的m e m g 系统 g q o 。然而，微振发电并非不可用于大规模发电。最近( 2 0 0 8 ) ，以色列( i s r a e l i n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 科学家利用压电材料构建了世界上首条发电公路 】1 】， 这是( 应力条件下) 微振发电大规模应用的首个事例。 尽管在这些已知的振动发电设计中常存在有铁磁或铁电材料，然而此类设计 中所涉及的问题基本上是技术的，并不涉及太多的材料物理。本项工作中，我们 就利用铁磁及铁电复合材料研究设计了微振发电器件。铁磁一铁电复合材料由两 种单相材料( 铁电相与铁磁相) 经过一定方法复合而成 1 2 - 1 3 ，这种复合材料内 同时存在磁序和极化序，在微幅机械振动环境中，复合材料受到波动着的应力作 用，其内部磁序和极化序也都将发生振动，这种由应力引起的磁序变化，我们称 第1 章引言 为应力变磁导效应。我们的铁磁铁电复合材料应力微振发电器件就是源于铁电 序振动及铁磁序振动设计和研制的， 并且取得了很好的发电效果【14 1 。正如前面 提及的，利用微振发电不仅可将低频微幅机械振动能转化为电能，其还是一种绿 色能源的获取方式，微振发电一旦能够用于大规模发电，它将对环境的保护、生 态的可持续发展、当今社会的能源危机等有着非常重要的意义。 本项工作主要分为以下几个步骤： ( 1 ) 首先，我们从应力变磁导效应出发，众所周知，当一磁体受到应力的 作用时，其内部磁序将发生变化导致磁体的磁导率变化 1 5 】，这一变化我们可以 从绕在磁体上的线圈中的电感变化获知。 ( 2 ) 接着，我们将一铁电材料与铁磁材料结合制成铁磁一铁电复合材料，利 用复合材料的电磁效应，在铁电材料两端面加外加直流电场。由复合电磁材料所 具有的固体力学结构，可以将铁电相电致伸缩所诱导的铁磁相的机械形变首先转 化为内部的应力场，再将这样的应力场变化转化为磁序的变化 1 6 - 1 9 】。这是由外 加电场引起的复合材料的磁序变化，即复合材料电致变磁导效应。调节电场强度， 其电致变磁导效应可由绕在磁芯上的线圈中的电感变化获知。 ( 3 ) 若将( 2 ) 中的直流电场换成交流电场，其强度固定，频率可调节，则 必将引起铁电材料的周期性电致伸缩 1 9 - 2 0 ，这样的周期性电致伸缩在铁磁材料 上施加了一持续变化的应力( 波动应力) ，导致铁磁材料磁序振动，复合材料发 生电磁振动，线圈中产生感应电动势。 ( 4 ) 由( 3 ) 可知，在复合材料上施加一交变电场将在材料内产生一相应的 波动应力，引起磁序振动，从而产生感应电动势，现将( 3 ) 中外加电场拆除， 在铁磁材料上直接施加一波动的应力，同样可导致磁序的振动，则在线圈上应可 第1 章引言 测得感应电动势。 ( 5 ) 为增大发电效果，结合铁电材料，我们现将应力变磁导应力微振发电 器件进行改进，在其磁环内放置一铁电体组成铁磁铁电复合材料，并在复合材 料上施加持续变化的应力作用，复合材料发生电磁振动，在线圈及铁电体的两端 面同时产生感应电动势，将两者按适当的方式连接，制成铁磁铁电复合材料微 振发电器件，测量其发电效果。 ( 6 ) 在( 5 ) 中制成的铁磁铁电复合材料微振发电器件，其发电效果仍不 够明显，在此，我们将铁磁铁电复合材料微振发电器件集成，测量集成后的发 电效果。 在本文的几个章节中，我们将对铁磁一铁电复合材料应力微振发电器件的设 计、研制及其制作过程作详细的描述。 第2 章应力变磁导效应 第2 章应力变磁导效应 2 1 应力变磁导效应 铁磁材料内部具有固有磁有序，其磁导率通常受到材料内应力的强烈影响。 当其受到应力或者发生应变时，由于磁弹性耦合作用，材料内部的等效磁场会发 生变化，进而影响材料的自发磁化 1 5 - 2 6 ，改变磁体的磁导率，我们称这种效应 为应力变磁导效应。实际上早在十年前对环形磁芯中的应力效应就已经被研究过 了 2 6 - 2 7 ，但是与此效应相关的发电研究还是少见的；在这项工作中，我们系统 的研究了铁氧体中的应力变磁导效应并应用到微振发电中。 一般来说任何一种铁磁体都具有应力变磁导效应，但为了得到巨大的并且是 可重复的应力变磁导效应则需要具有较高磁导率的软磁材料。对于具有高磁导率 的磁性材料而言，材料的磁化主要取决于磁畴壁的移动。在外应力的作用下， 磁性材料可逆磁化过程中的初始磁导率表现为： 以二谤2 t o 面m s 2 1 + 1 、( 1 ) 其中心为饱和磁化强度，以为饱和磁致伸缩系数，l 是磁壁的宽度，万是 磁壁的宽度，仃是内应力，并可以被外应力改变。因此具有高磁导率的磁性材料， 其可逆磁化过程的应力变磁导效应可以表示为： 旺：“i 一1a a a o - = 一二_ 上一一一一 l t g6 ( 2 ) 从( 2 ) 式中，我们可以看出：应力变磁导效应可以随着磁导率和a c t 的增 加而增加，但是却与内应力仃成反比。在这样一个磁芯上绕有探测线圈，则应力 变磁导效应就可以通过线圈的电感的变化反映出来，l = 2 谚，其中是 第2 章应力变磁导效应 线圈匝数，矿是线圈所包围磁芯的面积，风是真空磁导率，均为常量1 。因此， 应力变磁导效应可同样写为： 比址 = ：一 以厶 其中厶是零压力时线圈中的电感。 2 2 实验材料及装置的描述 ( 3 ) 我们知道任何一种铁磁体都有应力变磁导效应，但是为了得到巨大的并且是 。可重复的应力变磁导效应则需要具有较高磁导率的软磁材料。从这种意义上来 说，镍锌和锰锌铁氧体是比较理想的铁磁体 2 9 - 3 1 。但是镍锌铁氧体一般来讲是 工作在高频范围下的。在这项研究中，我们采用的磁芯是商用的锰锌铁氧体，初 始磁导率为1 0 0 0 0 。磁芯的几何形状对于能否出现明显的应力变磁导效应是很重 要的。闭合回路的磁体相对来说是比较好的m 】。我们目前所用的铁磁体的磁芯 都是外直径为1 5 m m ，内直径为9 m m ，高为3 m m 的圆环状磁芯。在磁芯上绕有 1 0 圈的铜丝作为探测线圈，并用胶水固定在磁芯上。 用一个装有活塞的圆筒作为压力容器，圆筒的内径约是磁芯内径的2 倍，将 绕有探测线圈的磁芯固定在圆筒内( 由粘在圆筒底部和活塞上的卡槽固定) ，当 在活塞上施加压力时就会有一压力施加在磁芯上，如图1 所示。 第2 章应力变磁导效应 卡槽 图1 应力变磁导的实验装置 2 3 实验结果与分析 将电极a 、b 接在交流电桥上，采用交流电桥的电感档测量线圈中的电感， 改变压力f 的大小，得到电感随应力的变化关系曲线，如图2 。 一 工 e o c ) c 奄 3 口 三 图2 磁芯上线圈中电感随应力的变化关系曲线 由图2 电感随应力的变化曲线可知，随着压力的增大，线圈中的电感逐渐减 小，电感与应力成反比。 第2 章应力变磁导效应 - 一 由本章2 1 节中的公式来对比实验结果进行分析。根据公式( 2 ) 、( 3 ) 给出 的应力变磁导的描述，有坐：等：仃些，其中我们近似的认为磁芯中内应6 0 - pl g 力的变化与所施加的压力成正比函数，即叮o ca p 。又业：一三冬，可以看出， 随着应力的增加，电感在下降。 对于具有内应力的磁体来说，单元畴壁能和磁弹性能可分别写为： 厂= 2 5 ( k 1 + 昙以仃) ( 4 ) 二 e 。= 3 a f e o s 2 臼 ( 5 ) 其中k 1 是磁晶各向异性系数，秒是内应力仃与磁化强度m ，之间的角度。对于具 有高磁导的磁体来说，磁化主要取决于磁畴壁的移动，而且墨和以一般比较小。 因此公式( 4 ) 、( 5 ) 表明y 和e 仃与应力口成正比，应力包含内、外应力。增加 应力可以增加y 和e 。，同时可以减少磁畴壁的移动并且减少磁化3 3 。3 。 第3 章铁磁7 铁电复合材料电致变磁导效应 第3 章铁磁铁电复合材料电致变磁导效应 3 1 复合材料中的电致变磁导效应( 电磁效应) 电致变磁导效应即铁磁铁电复合材料中的电磁效应。电磁效应是一种能够 实现电场和磁场之间相互耦合并转换的效应，表现为外电场诱导的磁性变化，这 意味着电磁材料应同时具有铁磁性和铁电性，从而可使能量在电场和磁场中自由 地转换 3 9 - 4 1 。 电磁材料包括单相材料和多相复合材料，单相材料中只有一种相结构，在本 章中我们研究的电磁材料是铁磁铁电复合材料，这种材料同时包含两种相 结构，即铁磁相和铁电相，并且两相保持各自的性质，同时具有铁磁及铁 电性质。但不管是单相材料还是多相复合材料，表征电磁效应的物理量是电磁 转换系数 4 2 - 4 5 ： a h = d h f i e ( 6 ) 人们对电磁效应的发现首先来源与单轴各向异性反铁磁c r ：0 ，的认识。 首先d z y a l o s h i n s k i i 在理论分析的基础上，预言了反铁磁物质c r 203 可产 生磁电感应，接着，a s t r o v 等人通过实验观察到了c r ：0 。中的磁电效应， 他们发现当一些自旋轨道有序的单晶物质被放在外电场或外磁场中时，在 晶体中可以测量到正比于外场的感应电矩和磁矩1 4 5 - s 2 1 。 电磁材料中的电磁效应可以实现电磁转换，有着显而易见的技术应用前 景。对于电磁材料来讲，由于电场可以使其发生变化，因而可以制成多种 新型电控或磁控器件 5 3 - 5 5 。对于多相复合材料，由于同时具有较高的介电 常数和较高的磁导率，因此具有铁电性和铁磁性，因而，可制成微型的多 7 ， 第3 章铁磁铁电复合材料电致变磁导效应 功能电磁器件等。因而，电磁材料具有广阔的应用前景和极高的研究价值。 本章中我们将一铁电材料与第2 章中的铁磁材料结合制成铁磁一铁电复合材 料，在铁电材料两端面加激发电场时，复合材料发生电磁效应，由复合电磁材料 所具有的固体力学结构，可以将铁电相电致伸缩所诱导的铁磁相的机械形变首先 转化为内部的应力场，再将这样的应力场变化转化为磁序的变化，磁体的磁导率 发生变化，即复合材料电致变磁导效应。在这样个磁芯上绕有线圈，则磁体磁 导率的变化可从线圈的电感变化获知。 3 2 实验材料及装置的描述 本实验中选择锆钛酸铅( p z t ) 作为铁电材料，因为p z t 已具有相对成 熟的制各工艺，并且具有较大的电致伸缩性能。而铁磁材料仍选用第2 章 中的锰锌铁氧体磁环，磁环的初始磁导率为1 0 0 0 0 ，其外直径为1 5 m m ，内直 径为9 m m ，高为3 m m 。根据磁环的大小，将p z t 切割成条状，长为9 毫米，为 3 毫米，并在p z t 两端面焊接出电极，然后用胶水将条状p z t 固定在磁环内，磁 芯上绕有3 0 0 圈的铜丝作为探测线圈，也用胶水固定在磁芯上，并在p z t 两电 极间加激发电压。实验装置如图3 。 第3 章铁磁铁电复合材料电致变磁导效应 图3电致变磁导实验装置 3 3 实验结果及讨论 我们选择一台电压激发仪作为信号源提供可变化的激发电场，将绕在锰锌铁 氧体上的线圈的两端与交流电桥相连接，再将p z t 上焊接出的两电极与电压激发 仪相连，调节激发电压，记录线圈的电感，得到电感随激发电压的变化曲线，如 图4 所示。 图4 磁芯上线圈中电感随p z t 上直流电压的变化 第3 章铁磁铁电复合材料电致变磁导效应 图4 显示了磁芯上线圈中电感随p z t 上直流电压的变化曲线，我们看到，当 在p z t 两端面加正向电压时，随着电压的增加，电感的变化逐渐减小，磁体的磁 导率的变化逐渐减小。当在p z t 两端面加反向电压时，情况相反。由铁电材料中 的电致伸缩效应可知，加在p z t 两端面的电压越大其发生的形变程度越大，产生 的电应力也就越大，由第2 章( 4 ) 、( 5 ) 两式可知，应力增大时，厂和e 。也随 着增大，同时可以减少磁畴壁的移动并且减少磁化，由图还可看出，这一变化受 到p z t 电滞回线的影响f 5 6 1 。 第4 章铁磁铁电复合材料的电磁振动 第4 章铁磁铁电复合材料的电磁振动 4 1 复合材料中的电磁振动 如图3 ，将加在铁电材料上的直流电场换成一个强度不变，频率可调节的交 变电场，则铁电材料发生周期性的电致伸缩，铁电材料内部极化序发生振动，产 生一波动着的电应力场作用在磁环上，由电致变磁导效应，磁环磁序也发生相应 振动，这种材料内的极化序和磁序的周期性振动称为铁电铁磁复合材料中的电 磁振动。电磁振动实现电磁能量的相互转换，在磁环上的线圈中产生感应电压。 对于铁氧体磁体来说，其初始磁导率均远大于1 ，在可逆磁化过程中，磁 导率可表示成 5 6 - 6 0 ，而2 # o m , 2 l ( 7 ) 其中m s 为磁性材料的饱和磁化强度，as 为饱和磁致伸缩系数，口为内应 力，和万为磁体磁畴壁的宽度和厚度。当改变外场时，由于磁体磁场弛豫而 造成磁导率的分散，其复数形式为五= 啦”，其中为弹性磁导率，f ”为粘 滞磁导率，所以有效磁导率可以写成 s s - 6 s p 2 其中甜。为弛豫频率。根据公式( 7 ) 和公式( 8 ) ，我们可以得到 ( 8 ) a , c z e y ：三兰兰：一 ( 9 ) 一= - ：= = = = = = = = = = = = = = ：= = = = ：= = = ：= = = ：= ：= = = = ly a j 8 x i + ( c o c o 。) 2 ? + ( 国。) 2 另一方面，施于铁电相材料上的电场占和铁磁相材料磁导率与电磁效应系 数关系口。= a # a e ，和铁电相材料的电致伸缩系数甜蓖，可得： 第4 章铁磁，铁电复合材料的电磁振动 a p 。肾8 68 d 口。案0 0 瓦西aa0 它 ( 1 0 ) 其中0 d a e = d 3 。，西j 为给定铁电相材料的压电系数。联系式( 9 ) 和式( 1 0 ) ， 驴2 k ，4 1 意1 篇c o ( c o g ) 筹 ， 一 + ( 国。) 2 嘭+2 甜 其中a 、s 、口和局分别为交换积分常数、自旋量子数、晶格常数和磁晶各 向异性常数，对于铁氧体来说 址= n 2 v , u 0 0 5 血= 2 v , u o ；d 3 1 a v1 2 k ，r 面瓦玩汀两万瓦磊丽甜 ( 1 2 ) 其中t 为铁电相材料p z t 片的厚度，而且a v = t a e ，是施加在p z t 两面的 电压值，在式( 1 2 ) 中，因为鸬1 ，当认蛾时，器件电感的绝对值随施加于 其上的电场只是有稍微的下降，而当c o c o 。时电感的绝对值将发生较大的变化。 对于锰锌铁氧体来说，其弛豫频率醌1 0 0 k h z 。 4 2 实验装置 本实验中依然采用与第3 章相同的实验装置，仍选用初始磁导率为1 0 0 0 0 的锰 锌铁氧体磁环，其外直径为1 5 r a m ，内直径为9 m m ，高为3 m r n 。根据磁环的大 小，将p z t 切割成条状，长为9 毫米，为3 毫米，并在p z t 两端面焊接出电极，然 后用胶水将条状p z t 固定在磁环内，磁芯上绕有3 0 0 圈的铜丝作为探测线圈，也用 胶水固定在磁芯上，将加在p z t 两电极间的直流电场换成交流电场。 4 3 实验结果与理论讨论 第4 章铁磁，7 铁电复合材料的电磁振动 我们选择一台交流电桥作为信号源提供可频率变化的交流电场，接在p z t 的两电极上，用p l u c k 交流伏特表来测量线圈中感应电压，在输入电压为0 3 v 下，调节输入频率，记录相应的感应电压的值，得到绕在磁芯上的线圈中的感 应电压随外加电场频率的变化关系，如图5 。 e 弓 o 图5 线圈中感应电压随施加在p z t 两端面频率的变化曲线 图5 为感应线圈中感应电压随施加在p z t 两端面频率的变化曲线，从图中 可看出感应电压随激发信号频率的增加而增加，并且从图5 中可以看出，复合 材料在测量范围内有几个明显的响应频率，其值都比较大。 分析可知，外加的交变电场作用在复合材料上，引发了复合材料内的电磁振 动，从而实现了能量的转换，如撤去外加电信号，在器件上直接施加一持续变化 的应力作用，有应力变磁导可知，同样可引起铁磁体内磁序的周期振动。我们将 在下一章中对此进行讨论。 第5 章应力变磁导应力微振发电器件 第5 章应力变磁导应力应力微振发电器件 5 1 引言 前一章中，我们已经讨论了在外加交变电场时，由铁磁铁电复合材料中磁 序的振动实现的能量转化。本章中，我们将撤去电源，利用振动环境产生的应 一： 力作用在铁磁上，引起铁磁内部的磁序振动，研究机械振动能向电能的转化， 研制由应力变磁导实现的应力微振发电。我们选择振动频率为5 0 h z 的振动环 境，研究复合材料的感生电效应。 5 2 实验装置 本实验中依然采用与第2 章相同的实验装置，仍选用初始磁导率为1 0 0 0 0 的锰锌铁氧体磁环，其外直径为1 5 m m ，内直径为9 m m ，高为3 m m 。磁芯上 绕有3 0 0 圈的铜丝作为探测线圈，也用胶水固定在磁芯上，用个装有活塞的 圆筒作为压力容器，圆筒的内径约是磁芯内径的2 倍，将绕有探测线圈的磁芯 固定在圆筒内( 由粘在圆筒底部和活塞上的卡槽固定) ，并在活塞上施加一频率 为5 0 h z 的波动应力，如图6 。 第5 章应力变磁导应力微振发电器件 卡槽 图6 应力变磁导应力应力微振发电器件 5 3 实验结果与讨论 在圆筒上施加频率为5 0 h z 的波动力，力通过圆筒传递到铁磁材料上，铁磁 材料受到力的挤压，磁序发生振动，我们用f l u c k 交流伏特表测量线圈中的感 应电压。结果发现，在固定频率5 0 h z 下，线圈中感应电压仅约2 m y ，太小，为 增大其输出电压，我们将铁磁与铁电组成复合材料后再置于振动环境下，则铁 电材料在波动应力的作用发生周期性伸缩，则铁磁同时存在应力变磁导效应和 电致变磁导效应，可增大线圈中的感应电压，同时在铁电体的端面还产生端面 电压，将二者选择最佳的方式连接，可能会得到较好的发电效果。 第6 章铁磁铁电复合材料应力微振发电器件 第6 章铁磁铁电复合材料应力微振发电器件 6 1 实验装置 与第3 章相同，我们仍选择初始磁导率为1 0 0 0 0 的锰锌铁氧体磁环，其外 直径为1 5 m m ，内直径为9 r a m ，高为3 m m 。根据磁环的大小，将p z t 切割成条 状，长为9 毫米，宽为3 毫米，并在p z t 两端面焊接出电极，然后用胶水将条状 p z t 固定在磁环内，磁芯上绕有3 0 0 圈的铜丝作为探测线圈，也用胶水固定在磁 芯上，然后，用一个装有活塞的圆筒作为固定外壳，将制好的磁芯放入其中，如 图9 所示，并按图9 方向施加频率为5 0 h z 的波动应力，测量感生电信号。 图9 微振发电装置图 第6 章铁磁，7 铁电复合材料应力微振发电器件 6 2 实验过程 6 2 1 微振发电器件的连接方式 如图9 所示，在圆筒上施加频率为5 0 h z 的波动力，力通过圆筒传递到电磁 材料上，电磁材料受到力的挤压，极化序和磁序发生相应振动，我们用f l u c k 交 流伏特表分另j a t j 量线圈中的感应电压和p z t 的端面电压。结果发现，在固定频率 5 0 h z 下，线圈中感应电压约2 m y ，p z t 端面电压约3 0 0 m y 。接着，我们试着将感应 线圈和p z t 极线按不同方式连接，再次测量电信号，看能否得到更大的感应电压。 实验测得，按串联方式连接时，测量电压约3 5 0 m v ，而当其采用并联连接时，测 量电压约为7 8 0 m v ，电压明显增大，因此，我们选择将感应线圈与p z t 的两极并 联。发电器件的发电效应主要还是要看其能提供多大的发电功率，下一小节，我 们将在电路中接入负载，测量微振发电的输出功率。 6 2 2 接入负载并测量负载的电信号、计算发电功率 在两电极a 、b 间接入可变电阻r ，用f l u c k 交流福特表测量电阻两端电压u ， 实验电路如图1 0 所示。 第6 章铁磁，铁电复合材料应力微振发电器件 f ( f ：5 0 h z ) 图1 0 实验电路 在实验装置上，施加频率为5 0 h z 的波动应力，方向如图1 0 中所示，调节电 阻r 的阻值，可得到一组电压值，将其绘制成曲线，如图1 l 所示。 善 苫 星 导 图1 1 负载电阻两端电压随电阻的变化 由以上实验数据，我们还可计算得到流经电阻的电流随电阻的变化曲线，如 图1 2 所示，以及发电功率随电阻的变化，如图1 3 所示。 第6 章铁磁铁电复合材料应力微振发电器件 d d 5 0 o 1 ) 4 5 d 0 4 0 d d 3 5 d d 3 0 h i , - - d 0 2 5 u o d 2 d o d 15 o d 1o 口d 0 5 ； 宝 i 善 q e 亭l s t 6 n c e ( q ) 图1 2 流经电阻的电流随电阻的变化曲线 6 3 实验结果讨论 r e s i s - t a n c e ( q ) 图1 3 负载电阻的功率随电阻的变化曲线 由图1 1 可知，负载电阻两端电压随电阻成线性变化，但在接入负载电阻后， a b 间电压出现严重衰减，有未接电阻时的约7 8 0 m y 突然衰减至几个m v 。这可能 与可变电阻的电容、电感有关。由图1 3 我们可看出，微振发电装置的发电功率 2 4 第6 章铁磁铁电复合材料应力微振发电器件 随电阻的增加先减d 、后增大，在接入电阻的值为1 0 0 0 q 时，电阻的功率约为 0 0 6 6 1 0 6 w ，总体来讲，其发电功率较小。为获得较大发电功率，下一章中， 我们将设计新的实验装置，将几个微振装置组合，以增大输出功率。 第7 童铁磁铁电复合材料应力微振发电器件集成 第7 章铁磁铁电复合材料应力微振发电器件集成 由第6 章实验结果可知，单个微振发电芯片的发电功率非常小，为增大输 出功率，本章中，我们设计实验，试着将三个微振发电块按适当的方式集成后， 在其输出端接入负载，测量计算负载的功率。 7 1 实验装置 本实验中，我们仍选择初始磁导率为1 0 0 0 0 的锰锌铁氧体磁环，其外直径 为1 5 m m ，内直径为9 m m ，高为3 m m 。根据磁环的大小，将p z t 切割成条状， 长为9 毫米，宽为3 毫米，并在p z t 两端面焊接出电极，然后用胶水将条状p z t 固定在磁环内，磁芯上绕有3 0 0 圈的铜丝作为探测线圈，也用胶水固定在磁芯 上，制作好三片应力微振发电磁芯后，将其按一定方式放置固定于外壳中，外 壳由两块硬质板和三根螺丝组成，将三片磁芯排列固定在两板之间，并用螺丝 拧紧。在外壳上施加波动应力，频率为5 0 h z ，如图1 4 所示。 图1 4 微振发电器件初步模型 蒡7 章铁磁铁电复合材魁应力微振发电器件集成 7 2 磁芯之间连接方式 内芯之间先后采用串联方式和并列连接方式连接，分别测量输出电压u 、 ，比较u 、的大小，选择最佳连接方式。在外壳上施加频率为5 0 h z 的波 动应力，测量两电极之间电压，串联时约1 0 0 0m y ，并联时约1 5 0 0 m y ，因此我 们采用并联方式连接。 7 3 实验数据与结论 在两输出电极间接入可变负载电阻r ，用f l u c k 交流伏特表测量电阻两端 电压，并画出电压v 随r 的变化和电阻的功率p 随r 的变化，如图1 5 、1 6 所示。 9 吾 霎 詈 r es 憎i i i i p i i l l 图1 5 负载r 电阻两端电压v 随r 的变化曲线 第7 章铁磁铁电复合材料晦力微振发电器件集成 ； 莹 i 吾 q r e s i s t a n c e ( o ) 图1 6 电阻的功率p 随r 的变化曲线 将微振发电芯片组合后，微振发电装置的输出功率p 随电阻r 的变化曲线 如图1 6 所示，与单片发电内芯相比，输出功率明显增大，单片发电内芯在接入 电阻的值为1 0 0 0 e 2 时，电阻的功率约为0 0 6 6 x 1 0 - 6 w ，而本实验由三片组成的集 成电路在接入电阻的值为1 0 0 0q 时，电阻的功率约为0 2 2 7 x 1 0 一w ，约是单片时 的3 4 3 倍。 经过以上探究，实验中我们得到了很好的发电效果，并且以此实验为基础， 按照此方法，将更多的铁磁铁电复合材料微振发电器件集成，组成大型铁磁 铁电复合材料微振发电器是可以实现的。 第8 章小结 第8 章小结 通过本项工作，我们源于铁电序振动及铁磁序振动设计和研制了，铁磁铁 电复合材料应力微振发电器件，此器件主要是利用复合材料中的应力变磁导效应 将低频微幅机械振动能量转化成电能。该发电器件通过所处环境的振动( 或波动) 使复合材料的内应力产生同步的振动( 或波动) ，磁序和极化序发生振动，复合 材料产生应力变磁导效应，电致变磁导效应，两者相互作用、耦合，从而将机械 振动能量转化为电能，将机械振动散失的能量再次利用起来，提高了能源的利用 率。同时，也是一种绿色能源获取方式，保护了环境。只需在一定的振动环境中 就可自行发电，其结构简单、成本低廉，适用范围广，具有广泛的应用前景。关 于此器件的研究具有非常大的价值。目前国内关于利用电磁材料中的电磁效应的 研究很多，其利用外加磁场( 或外加电场) 诱导材料内电序变化( 或磁序变化) 。 但直接利用外界应力的变化引起铁磁铁电复合材料中电序及磁序的变化来发电 的研究还是较少的。本实验中，我们找到了较好的设计研制方法，取得了不错的 发电效果。在当今能源紧缺，污染日益严重的情况，开发新能源势在必行。根据 应力微振发电器件的优点：振动环境中自行发电，合理将机械振动能量转变为电 能，且不产生污染等特点，关于该课题的研究必会越来越多。本研究中，仅在频 率为5 0 h z 的外加波动应力下测量发电效果，由于缺少实验器材，无法测量感应 电信号随外加波动应力频率的变化关系，且无法测量外加应力的强度。关于这两 方面的研究将在以后讨论。 参考文献 参考文献 1 c b w i l l i m n s ，r b y a t e s ，a n a l y s i so f am i c r o e l e c t r i cg e n e r a t o rf o r m i c r o s y s t e m s ，s e n s o r sa n d a c t u a t o r sa5 2 ( 19 9 6 ) 8 - 11 2 h 。f u j i t a , f u t u r eo fa c t u a t o r sa n dm i c r o s y s t e m s ，s e n s o r sa n da c t u a t o r s ，1 9 9 6 ，8 ： 1 2 5 1 2 7 3 u b w i n g e r ，r l r e