（材料科学与工程专业论文）tbdyfe薄膜的磁致伸缩性能及其与弹性、压电衬底复合效应研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 超磁致伸缩薄膜是重要的功能材料，在微传感、微驱动领域具有广阔的应用前景。本 论文对t b d y f e 超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩效应及其与弹性、压电衬底的复合效应进行了 实验与理论研究，为t b e y f e 薄膜的应用提供基础。 采用磁控溅射工艺在单晶硅上沉积t b d y f e 超磁致伸缩薄膜，系统研究了提高t b d y f e 薄膜低场磁致伸缩性能的工艺方法。研究结果表明：制备态及4 5 0 真空热处理后的 t b d y f e 薄膜为非晶态结构；制备态的t b d y f e 薄膜表现出明显的垂直各向异性；由于提高 薄膜平行于膜面的饱和磁化强度、降低饱和磁场强度和垂直各向异性常数有利于提高薄膜 的低场磁致伸缩性能，因此真空热处理、溅射过程中平行膜面的偏置磁场的加入、衬底材 料粗糙度的降低均有利于t b d y f e 薄膜低磁场下的磁致伸缩性能的提高；磁控溅射的 s m c o 、f e 薄膜表现出优于t b d y f e 薄膜的平行膜面的磁性能，t b d y f e s m c o 双层复合及 t b d y f e f e 多层交替复合薄膜具有高于t b d y f e 薄膜的低场磁致伸缩性能；t b d y f e 薄膜与 f e 薄膜间产生交换耦合作用，单层薄膜厚度越小，交换耦合作用越强，t b d y f e f e 多层薄 膜的饱和磁场强度越小，低场磁致伸缩性能越高，其中单层厚度为5 n m 、总层数为8 0 的 t b d y f e f e 多层交替复合薄膜在5 0 k a m 的磁场强度下的磁致伸缩系数达到2 2 0 x 1 0 4 ， 2 5 0 真空热处理后为3 1 5 1 0 ，平均压磁系数以d h 为单层t b d y f e 薄膜的1 0 倍； t b d y f e f e 多层交替复合薄膜在真空热处理过程中，还出现了f e 晶体的有序度下降的反常 现象。 磁致伸缩材料与压电材料复合具有磁电转换效应。自行设计并组装了用于测量层状磁 电复合材料磁电电压系数的动态实验装置，并对磁控溅射的t b d y f e p z t 和粘接制备的 n i p z t 层状磁电复合材料在周期磁场激励下的诱导电压进行了测试，结果表明：由于三层 和双层磁电复合材料样品具有不同的振动振型，在实验测试范围( 1 一l k h z ) 内，双层磁 电悬臂板产生共振，三层磁电悬臂板不产生共振。磁电复合材料在共振频率处的磁电电压 系数达到最大，实验制备的t b d y f e p z t 和n i p z t 双层悬臂板在共振频率处的最大磁电电 压系数分别为1 4 m v a 和4 8 0 0 m v a 。在非共振频率下，磁电三层板的磁电电压系数大于 磁电双层板的磁电电压系数。 根据弹性力学原理，对小变形条件下磁致伸缩薄膜与弹性衬底复合后的变形行为及与 压电衬底复合后的磁电转换效应进行了理论推导，建立了适用于磁致伸缩薄膜弹性和磁致 伸缩厚膜弹性双层悬臂板的自由端挠度与磁致伸缩系数的一般关系表达式，以及自由状态 和上下夹持的磁电层状复合材料的磁电电压系数理论计算公式。 通过将各向异性磁致伸缩效应类比为各向异性热膨胀效应，建立了磁致伸缩弹性板和 磁致伸缩压电层合板的有限元计算方法，并采用a n s y s 有限元分析软件对试验制备的 t b d y f e s i 在外磁场作用下的弯曲变形规律和t b d y f e p z t 及t b d y f e n i 在外磁场下的磁 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 电转换规律进行了数值分析。结果表明：实验测试、理论推导及有限元数值计算的结果较 为唆舍；磁蘩律缩穗l 牲双麓基譬板静蠡态端挠菠隧磁教律缭貘压磁系数豹增大嚣圭鹭大；在 薄膜，衬底厚度比很小的情况下，悬臂板自由端挠度值随磁致伸缩薄膜厚度的增加而线性增 加；当衬底与薄膜的弹性禳量相丽，且磁致伸缩薄膜犀度等于衬底浮度一半时，磁致 率缩， 弹性双层板自出端挠度值达到最大；磁数姊缩薄膜弹性模量的提赢及衬底材料弹性模擞的 降低有利于提高悬臀板的传感灵敏度；磁致伸缩材料膳磁系数或压电材料压电常数的增大、 攫溺缝合强瘦戆增搬疆及一毫下夹赫均搜磁致罄缝，压愈滢状复合扳 冬磁电蟪妻压系数增大；耪 磁场平行于板厚度方向时所获得的磁电电压系数大于外磁场平行予板长度方向时的磁电电 难系数：瑟状磁宅笈合秘秘 在矫磁场下躲诱等毫压淤磁致 率缩，舔亳藩簿耽或磁致l 牵鳞材 料的体积分数的增大而增大，而体磁电电压系数最大戗对应一定的磁致伸缩体积分数。 关键溺：磁致傍缝效应、磁电效应、t b d y f e 薄骐、层状复合、磁控溅射、帮限元 第i i 面 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v ef i l m sa n dm a g n e t o e l e c t r i cc o m p o s i t e sh a v ed r a w ns i g n i f i c a n ti n t e r e s ti n r e c e n ty e a r sd u et ot h e i rm u l t i f u n c t i o n a ta n dp o t e n t i a lu s e si nm i c r o s e n s o r sa n dm i c r o - a c t u a t o r s t h em a g n e t o s t r i c t i o no ft b d y f ef i l m ，e s p e c i a l l ya tal o wm a g n e t i cf i e l d ，a n dt h ec o u p l i n g e f f e c t sb e t w e e nt h ef i l ma n de l a s t i co r p i e z o e l e c t r i cs u b s t r a t e sa r ei n v e s t i g a t e di nt h i sr e s e a r c h t b d y f ef i l m sa l ed e p o s i t e do ns ic r y s t a ls u b s 订a t eb ym a g n e t os p u t t e d n ga n dt h ee f f e c t so f t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s e so ni t sm a g n e t o s t r i c t i v ec h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sr e v e a l st h a tt h ei m p r o v e m e n to fm a g n e t i z a t i o nb e h a v i o rp a r a l l e lt ot h ef i l m s u r f a c e ，s u c ha st h ei n c r e a s eo ft h em a g n e t i cs u s c e p f i b i l i t ya n ds a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o na n dt h e d e c r e a s eo f t h ea n i s o t r o p i cm a g n e t i cc o n s t a n ta n dt h es a t u r a t e dm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h , i sb e n e f i t t oi n c r e a s et h em a g n e t o s t r i c t i v ec o e f f i c i e n tk e s p e c i a l l ya ta l o wm a g n e t i cf i e l d i ti sf o u n dt h a t t h ef i l ma sd e p o s i t e do rv a c t l u i na n n e a l e d 采4 5 0 cr e m a i n sa m o r p h o u ss t r u c t u r ea n dt h e t r e a t m e n t s ，s u c ha sa n n e a l e di nv a c u u m ，a p p l i e dab i a sm a g n e t i cf i e l dp a r a l l e lt ot h ef i l ms u r f a c e d u r i n gs p u t t e r i n g ，a s m o o t h e rs u b s t r a t eo rl a m i n a t e dw i t hs m c oc a n p r o m o t e t h e m a g n e t o s t r i c t i v es e n s i b i l i t yo ft h ef i l m t b d y f e f em u l t i l a y e rf i l mi ss u p e r i o rt ot h es i n g l e t b d y f eo w i n gt ot h ec o u p l i n ge f f e c tb e t w e e nt b d y f ea n df ef i h n s t h et h i n n e rt h es i n g l el a y e r i s ，t h es t r o n g e rt h ec o u p l i n ge f f e c ti s f o rt h et b d y f e f em u l t i l a y e rf i l mi nw h i c ht h ee a c hl a y e r t h i c k n e s si s5 n m ，i t sm a g n e t o s t r i c t i v ec o e f f i c i e n t 九c a l lr e a c ht o2 2 0 x 1 0 4i na sd e p o s i t e ds t a t eo r 3 1 5 1 0 1a f t e r2 5 0 a n n e a l i n ga n dt h ev a l eo f d , v d hi st e nt i m e so f t h a to f t b d y f ef i l mw h e n t h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hi s5 0 k a m t h er e g u l a r i t yo f f ec r y s t a lf i l md e c r e a s e sw i t h t h ei n c r e a s eo f t h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r e m a g n e t o e l e c t r i c ( m 粉p r o p e r t i e so fm a g n e t o - s p u t t e r e dt b d y f e p z ta n db o n d e dn i p z t l a m i n a t ec o m p o s i t e su n d e rap e r i o d i c a l m a g n e t i cf i e l da r ei n v e s t i g a t e db ys e l f - a s s e m b l e d e q u i p m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tar e s o n a n c ep h e f i o m e n o na p p e a r sf o rm a g n e t o s t r i c t i v e 缓e z o e l e c t r i cb i m o r p hc a n t i l e v e rd m f n gt h et e s t t h em ev o l t a g ec o e f f i c i e n t s 教r e s o n a n c e f r e q u e n c yf o rt b d y f e p z ta n dn i p z tr e a c ht o1 4 m v aa n d4 8 0 0 m v a r e s p e c t i v e l y 1 1 1 0 r e s o n a n c ev i b r a t i o nd on o tt a k e np l a c ef o rt h em u l t i l a y e ri nt h er a n g eo f e x p e r i m e n t a l 丘e q u e n c y ( 1 一i k h z ) ，b u ti t sm ec o e f f i c i e n tw a sh i i g ht h a nt h a to ft h eb i m o r p ha tt h en o nr e s o n a n c e f r e q u e n c y t h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n th a r m o n i ca n a l y s i sa r ec o i n c i d e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s 筹掰页 圈防科学技术大学研究生院学位论文 t h ed e f o r m a t i o no fm a g n e t o s t r i c t i v ef i l ml a m i n a t e dw i t ha l le l a s t i cs u b s t r a t ea n dt h em a g n e t i c c o u p l i n ge f f e c to fm a g n e t o s t r i c t i v ef i l ml a m i n a t e dw i t hap i e z o e l e c t r i cs u b s t r a t ea r es t u d i e d t h e o r e t i c a l l y b a s e do nt h ee l a s t i c t h e o r y t h e f o r m u l a eo ft h ed e f l e c t i o no fa m a g n e t o s t r i c t i v e e l a s t i cb i l a y e rc a n t i l e v e ra n dt h em a g n e t o e l e c l r i cv o l t a g ec o e f f i c i e n t so f m a g n e t o s t r i c t i v e ，p i e z o e l e c t r i cl a m i n a t ec o m p o s i t e sw i t ho rw i t h o u tt h es u r f a c er e s t r i c t i o na r e d e d u c e d t h ed e f t e c t i o no f 奄d y f e s ia n dt h em ec o e f f i c i e n t so f t b d y f e p z ta n dn i p z ta 糙c a l c u l a t e d w i t haf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o t t w a r ea n s y s n er e s e a r c hr e v e a l st h a tt h ed e f l e c t i o no ft h e m a g n e t o s t r i c t i v e e l a s t i cb i l a y e ri n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed l d ha n dt h i c k n e s so ft h e m a g n e t o s t f i c t i v el a y e r 鞭抟d e f l e c t i o ng e t s i t sh i g h e s tv a l u ew h e nt h et h i c k n e s so ft h e m a g n e t o s t r i e t i v el a y e ri st h eh a l f o f t h a to f t h es u b s t r a t ea tt h ec o n d i t i o nt h a tt h em o d l l l e so f b o t h l a y e r sa r ee q u a l t h es t i f f e rt h em a g n e t o s t r i c t i v el a y e ri sa n dt h es o f t e rt h es u b s t r a t ei s ，t h em o r e s e n s r i v et h em a g n e t o s t r i c f i v e e l a s t i cc a n t i l e v e ri s t h ei n c r e a s eo ft h em a g n e t o s t r i c t i o na n d p i e z o e l e c t r i c i t y , t h ei m p r o v e m e n to f t h ei n t e r f a c eb o n d i n ga n dt h ec l a m p i n gb o t hs u r f a c e sa l o n g t h et h i c k n e s se n h a n c et h em ec o u p l h a go ft h em el a m i n a t ec o m p o s i t e 1 1 1 em ev o k a g ea l s o i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ev o l u m ef r a c t i o no fm a g n e t o s t r i c t i v el a y e r b u tt h em a x i m u m m ec o e f f i c i e n tp e rv o l u m eo ft h ec o m p o s i t ei sc o r r e s p o n d i n gt oac e r t a i nm a g n e t o s t r i c t i v e v o l u m ef r a c t i o n k e ) 喇o r d s ：m a g n e t o s t r i c t i o 弛m a g n e t o e l e c t r i c i t y ，t b d y f ef i l m ，l a m i n a t ec o m p o s n e ，m a g n e t o s p u t t e r e d ，f m i t ee l e m e n tm e t h o d 落i v 虿 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 1 图2 1 图2 2 图2 f 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图目录 智能型滤波器l5 m s p 4 5 0 双室多功能磁控溅射设备的真空及气路系统1 8 超磁致伸缩薄膜的制备工艺1 9 外加磁场示意图2 0 磁控溅射层状磁电复合材料夹具示意图2 l 磁电层状复合材料的结构示意图2 1 薄膜磁致伸缩测量系统2 2 磁场强度与线圈电流的关系2 2 电容位移测量仪标定曲线2 3 悬臂梁自由端挠度与位移测量仪读数的工作曲线2 5 t b d y l 室温时的弹性模量和e 效应2 6 层状磁电复合材料的测量系统2 7 层状磁电复合材料的实验测量装置2 8 放大电路示意图2 8 放大电路的输入电压与输出电压幅值曲线3 0 制备态t b e y f e 薄膜的电子能谱图3 8 制备态t b d y f e 薄膜的x 射线衍射谱一3 9 制备态t b d y f e 薄膜横截面的扫描电镜照片4 2 制备念t b d y f e 薄膜的磁滞回线4 3 真空热处理前后t b l 3 0 y f e 薄膜的x r d 谱4 3 t b d y r e 真空热处理前后的磁化曲线4 5 真空热处理前后t b l 3 0 y f e 薄膜的磁致伸缩曲线4 5 偏置磁场溅射下t b d o y e e 薄膜的磁致伸缩曲线4 6 不同衬底粗糙度下t b d y f e 薄膜磁致伸缩曲线4 7 不同粗糙度衬底的t b d y f e 薄膜制备态扫描电镜照片4 8 不同膜厚的s m c o 薄膜磁滞回线5 0 制备态s m c o 薄膜的x r d 图5 1 4 5 0 退火处理后s m c o 薄膜的x r d 图5 1 s m c o 薄膜电子能谱图5 2 t b d y e e 薄膜和t b d y f e s m c o 复合薄膜的初始磁化曲线5 3 第v 页 国防车萼学技术大学磷究生貌学擅沦文 圈3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 圈3 2 6 图3 2 7 图4 1 图4 2 图4 t 3 图4 4 图4 5 匿4 6 图4 7 图5 1 图5 2 匿5 _ 3 图5 + 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 s m c o 复合对t b e y f e 薄膜的磁致 审缠性能的影响5 3 磁控溅射f e 薄膜的x r d 图5 4 制备态单层f c 薄膜的磁滞回线5 5 革层t b d y f e 薄膜和单层f e 薄貘在平行于膜蘑方向的磁化越线5 5 t b d y f e 5 。f o s 。】8 0 多层膜的x r d 图5 6 几种薄膜的磁化曲线5 8 不问f e 层厚度下t b d y f e f e 多层膜磁致 牵缩曲线6 l 不间t b d y f e 层厚痰下t b d y f e f e 多佞膜磁致 枣缩曲线6 2 薄膜层厚对t b d y f e f e 多层膜磁致伸缩性能的影响6 2 真空热处理前后t b d y f e f e 多屡复合膜磁致伸缩曲线一6 3 几萃申工艺条件下的t b d y f e 薄朕的磁皴伸缩藏线6 4 几种工艺条件下的t b d y f e 薄膜的压磁系数曲线6 5 磁致伸缩弹性双层悬臂板的结构示意图6 9 磁弹性双层悬臂板的弯曲变形一7 0 真空退火前霸t b d y f e 薄膜豹磁数伸缩曲线7 7 各向异性磁致伸缩条件下t b d y f e 薄膜厚度对自由端挠度的影响7 8 t b d y f e s i 双层板自由端挠度随t b d y f e 薄膜压磁系数变化曲线7 9 薄膜与衬底的厚度魄和弹性模鬃比对t b d y f e s i 自由端挠度静影响8 0 悬臂板长宽比对悬臂板自由端挠度的影响8 l 单层t b d y f e 薄膜与p z t 复合后的磁电电压系数的实验测试曲线8 4 t b d y f e f e 多层膜与p z t 复合后的磁电电压系数的实骏预4 试曲线一8 5 t b d y f e 伊z t 层状复合楗料磁电电压系数的有限元计算越线8 6 磁致伸缩压电层状复合材料的振动模态一8 7 t b d y f e p z t 怒臂板的主变形量随板振动频率变化曲线8 8 t p 双层悬臂板的磁电电压系数随压磁系数的交化怒律8 9 t p t 三层悬臂板的磁电电压系数随压磁系数的变化规律9 0 不同t b d y f e 厚度的聊懋臂板磁电电压系数曲线9 1 周期磁场方向对t p 双层慧臂板磁电电压系数的影响9 3 n i 的磁致馋缝曲线一9 3 悬臂长度为2 5 m m 的n p 双层悬臂板磁电效应实验曲线9 4 悬臂长度为2 8 m m 时n p 双层懋臂板磁电效应实验曲线9 4 第v i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 n p 双层悬臂板的实验测试电压信号波形曲线( l = 2 8 m m ) 9 5 n i p z 州i 三层悬臂板的磁电电压系数实验曲线9 6 悬臂板长度对n p 双层悬臂板磁电转换效应的影响9 7 n i p z t n i 三层悬臂板的磁电电压系数与振动频率的关系9 8 磁电层状复合材料的力学结构示意图1 0 1 双层磁电悬臂板的结构模型1 0 6 t b d y f e p z t 的磁电电压系数嘶。，与层厚比关系的理论曲线1 1 2 t p 样品的扫描电镜照片一1 1 3 t p t 材料的体磁电电压系数葫与磁致伸缩相体积分数v a 的关系1 1 6 层合结构对t b d y f e p z t 层状复合材料体磁电电压系数反卵- 的影响1 1 6 外磁场方向对t p t 体磁电电压系数葫的影响1 1 7 力学约束条件对1 仰厂r 体磁电电压系数葫邱l 的影响118 第v l l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表曩录 表1 1 部分磁性物质在室温下的磁致伸缩系数地一3 表1 2 一磐超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数k 及其借里温度t c 3 表2 1p z i 压电陶瓷性能参数1 9 表3 1 【t b d y f e 5 。f e 5 。】8 0 多层膜的磁性能5 7 表4 14 5 0 真空退火t b d y f e s i 样品自由端挠度值的实验测定及有限元计算结果一7 8 表4 2 几稀工艺条件奄各t b d y f e s i 域层板自由端挠度与薄膜磁致 牵缩性能的关系7 9 表6 1层状磁电复合材料的磁电电压系数实验与理论值11 3 第v i i i 页 独创性声明 本人声臻所鬣交的学靛论文莛我本入在尊拜稽导下避行酶研究正律及取褥 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加l ；乏标注和致谢的地方外，论文中不包含 菸缎人邑经发表和撰黟过的研究残暴，趣不急舍为获褥毽黪辩挚技术大学或其它 教育祝秘静学位或证书丙旋瘸避酶祷辫。毒我一嚣王终稚辩惠霹率磅嵬繇徽戆任 何贡献麓已在论文中作了明碴的说明莠袭幂谢意 学鼓论文题掰： ! ! z ! g 蒸腆塑爨壁熊缝娃魃蕴基生蛰燃：鹱整数底数熊垒越廑娥塞 学位论文作畿签名：塑缸嚣襄：垆移年参月如嚣 学位论文版权使用授权书 本入完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 霆跨辩学技术大学可以器嚣并囊国家有荚部门或凯构送交论文的复印体葶口电子 文档，允许论文被銮鬻和惨麓：可毅褥学位谂支粒全都残鄣分蠹容鳊入褰关数器 库避行捡索。可以采嗣彩带、缩带或担籀等受稍手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文农解密后遗用本授权书) 学位论文邈器：i 翌黧i 噬基鹫l 趱缝建簇送基蔓錾缝：艇叁楚壅錾塞垒熬壅酝塞 学位论文作者签名：j红日期：秘矿年牮片，口 作者指导教卿签名日期： 秽于年 ￥月f 疆 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 能够蜜现能量( 包括磁、电、热、光、应力、应变、化学镣) 之间的转换的材料称为 功能誊| 料。它奏嚣耪类毯，一类是辩终界( 或内部) 鲍刺激具蠢感知功嶷，拣为感知材糕， 可以嗣予倍感器；另一类是对外界辉虢( 或内部状态) 发生鹩变化能作出酾废或驱动，称 为驱动材料，可以做成备种驱动器。磁致伸缩材料能实现磁能与机械能之间的转换，它既 能作为感知材料用于磁场( 或电场) 的测量，又能作为驱动材料实现在磁场 或电场) 酶 驱动下输濑应力应变。戮魏，磁臻 孛缭耱辩豹骚究在功戆薅麓镶缄占有菲常燕要豹逮篷。 微小裂化始终是当代科技发展的廉要方向。著名物理学家f e y r t m a n ”曾税1 9 5 9 年预苦， 系统的微小型化与低温、高压物理方厩的研究一样，将具有广阔的发展空间和重要意义。 徽电子技术戆发展，焱谗多顿蠛弓l 发了一场徽小溅纯戆革命，嚣致了徽电予凝棱系统技术 ( m e m s ) 的出现翻。徽电子机械系统就是把徽鞭动器、微执行器及传感器等都集成在极 小的几何空间，实现对信号的获取、处理和响应。传感和驱动功能是m e m s 技术的核心， 因此功能材料的微小化照m e m s 技术发展的前提。由于薄膜制餐技术与传统的集成电路工 艺程容性较好，功g 孝辛拳萼豹薄貘健技零褥到久嚣鹣霾褫。俸为鬟耍懿徽传惑及擞驱动誊| 秘 的磁致伸缩薄膜材料始终是研究的热点。 功能材料的薄膜化和复合化是功能材料的发展趋势。功能薄膜在制备、性能测试及使 震孛霉淡羧在薅底兹籽上，毽照毒重纛瓣瓣兹牲髓怼功爱薄膜赘袋惩往戆有穰大豹影响。剥 用磁致律缩薄膜的磁致伸缩效应实现健感和驱动功能时，薄膜沉积在弹性衬底( 特别是革 晶硅) 上，形成磁致伸缩弹性双层材料。磁致伸缩传感器或驱动器的性能除鞭决于磁致伸 缩薄膜的磁致伸缩性& 外，还取决于撵性衬底的弹性性能及结构尺寸。将磁数伸缩薄膜沉 积在压毫幸重赢上，翔形成磁致姊缩，菇i 瞧层获复合糖精。由予葫能效应熬复合，磁致 串缭 压电层状复合材料产生新的功能效应一磁电效应。具有磁电效威的材料能实现磁能与电能 之间的转化，转化效应的大小与磁致伸缩薄膜的磁皴伸缩性能、压电衬底的聪电性能及缩 穆只寸毒关。磁致 枣缝薄簇与压耄褪疯熬复合蠹磁致 枣缝薄膜豹疲弱及毅鍪嚣 串静设诗鬟 供新思路。 理论分析及数值计算能实现功能材料器件的性能预测与仿舆分析，并能为器件的结构 及性能优化设计提供理论依据。基于磁致 孛缩，弹髓双层膜的磁一弹性转化效艨分析及磁致 牵缩，压电笈合薄貘的磁一电转证效藏的分析是磁致 枣缩薄膜馥掰基穑研究静焦要内容。 本章从磁致伸缩材料及磁电材料的研究发展入手，重点论述磁致伸缩薄膜及磁电层状 复合材料的研究现状及趋势，进而在此基础上确定本论文的主袋研究内容。 1 1 磁数伸缩材料瓣研究进展 1 1 1 磁致伸缩效应及磁弹性效应 第1 页 嘲防科学技术大学研究生院学位论文 磁致耱壤效应是磁瞧耱狂兹基本蠛象，广泛舂在于铁磁惶、疆获磁犍、反铁磁蛙等榜 料中。铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化， 这种现象称为磁致伸缩。其中长度的变化称为线磁致伸缩，体积的变化称为体积磁致伸缩。 体积磁致伸缩魄线磁致传缱要弱得多，所以一般磁教 串缩指麴怒线磁致姊缩。磁致伸缩效 应最旱楚国j o u l e 予1 8 4 2 年在铁晶搭中发现的，赦又称为焦耳效应，接着v i t l a r i 发瑷7 磁 致伸缩的逆效应 3 1 。 线性磁致伸缩的大小以材料的相对变形量l = a l l 来表示，九叫磁致伸缩系数。磁致 枣绣系数笼夔乡 热磁场强疲楚瑷燕恧壤热，当耱耱疆纯弱德亵浚态露，磁致黪缭系鼗又氇达 到相应的饱和值，此时，沿外加磁场方向的磁致伸缩系数被称为饱和磁致伸缩系数，用越 来表示。磁致伸缩系数随磁场的变化率d 五d h 称为压磁系数，它反应磁性材料的变形随外 磁场变化豹灵敏性，墩蹙表征磁致搏缝性能的重要物理量。 铁磁髓材料通过磁数伸缩效应实蕊磁麓与梳槭能之闻静转化，铁磁毒砉糕中藏测到静磁 弹效应及艇逆效应包括h ：( 1 ) j o u l e 效应：磁性体被外加磁场磁化时，其长度发生变化；( 2 ) v i l l a r i 效应：即逆磁致伸缩现象。在一定磁场中，给磁性体施加外力作用，其磁场强度发 生交纯；( 3 ) a e 效应：夔蛰磁场数交倪，磁往落瓣耪菠稹量也发生变纯；麓) v i e d e m a n n 效应： 在磁性体上形成适当的磁路，当有电流通过时，磁性体发生扭曲变形；( 5 ) a n t i v i e d e m a n n 效应：磁性体发生机械扭曲时，在二次线圈中产生电流：( 6 ) j u m p 效应：磁性体外加预压力时， 磁致 枣壤耱癸场面有默变式增热，磁纯率也改变。铡瑗这些磁弹蛙效应可以徽戏多耱功越 器件。 1 1 2 磁致伸缩材料及超磁致伸缩材料 磁致纬缩材瓣吴鸯大匏磁致 枣缭效应，霞两农诤多痊矮簇域墨呈现壅羹黉翁镬矮傍穰 及广阔的威用前景。虽然磁致伸缩效应很早就被人们发现，但在其后近一个懒纪的时间虽， 磁致伸缩材料的研究与发展都十分缓慢。所研究的传统磁致伸缩材料包括两大类： ( 1 ) 磁致 枣绞衾毽与台金，皴镍秘镶墓会会( n i ，n i e o 舍会，燃一c o q 台金) 及铁熬 合金( 如fe n i 合龛，f e a l 合金，f e c o v 合金等) ；( 2 ) 铁氧体磁致伸缩材 料，如n i c o 和n i c o c u 铁辅体材料等。遨两种材料的k 值( 在2 0 - - 8 0 p p m 之间) 过小，能鬟转化率低，瓣此未能得到大规模工业应爆和推广。纛到1 9 4 0 年，n i 和c o 多晶 俸的磁致 枣缩效应方蓠先在超声波领域徭囊应焉，獒磁致伸缩系数为4 0 5 0 p p m ，毽2 0 墩 纪5 0 年代中期后就逐渐被更高效的电致伸缩材料一压电陶瓷所取代。表1 1 i j j 列出了部分 磁性物质在室温下的饱和磁致伸缩系数地。 第2 耍 国防科学技术大学研究生院学位论文 袭1 1 部分磁撼懿蕨在窒瀑f 瓣疆羲 枣壤系数勰 一璺曼壁 地! ! ! ! 生! ! ! j 坚! 虹垒堡! 热! ! ! 坦生! ! ! ! 奠题! ! ! ：1 2 f e2 0 72 1 24 4 n i f e 3 0 4 4 0 c o - f e 8 5 焖- f e m n o l f e 29 0 4 5 。9 2 0 1 4 6 8 3 1 6 2 4 + 3 7 8 8 7 - 3 7 5 0 3 3 9 6 4 - 3 3 9 飙理论与实践看，舆寿良努工1 2 痰爱兹景戆滋致 枣缭兹秘一般应其备戮一f 凡令方嚣豹 特点 4 t ：磁霄序温度( 居黧温度) 比工作漩度高很多；磁一弹祸合系数大，能将鬟多的磁能转 化成机械能：磁化场要小，能在较低的磁场下实现大的磁致伸缩，即材料的矫顽力和饱和 磁场应该小。 2 8 羹篼6 0 年代初麓，入钌溅鬃了稀土金藩确与d y 滔蒸霹懿磁致律缩缒变，发瑷英 饱和磁致伸缩系数九s 德达到1 0 - 2 的数量级【锚1 ，怒传统的磁致伸缩材料的1 0 0 1 0 0 0 0 倍。 然而，由于这些稀土元素的居里温度非常低( t b 、d y 的居里温度分别为- - 4 3 、一1 8 8 c ) ， 毽魏室瀑下建班痖弱。1 9 6 9 年，c a l t e n 蓥先提出i 熏渡金矮豹强磁援霹鞋提毫繇过渡金属 化合物的靥里点1 9 j 的观点。 美国海军研究实验整的k o o n 【1 0 】和美国海军袋筒武器中心的c l a r k l l l l 根据c a l l e n 的设 想，分别独立发现了具露l a v e s 扭的r f e 2 化合物在嫩温下具有惊人的磁致 审缨应变熬现象。 由于r f e z 诧合物静饱和磁致诤缩系数是f e 、n i 簿传统磁致 牵缩奉| 籽酶1 0 0 倍左右，势蠢 高于p z t 、p l z t 压电陶瓷，因而r f e 2 化合物被称为超磁致伸缩材料。几种超磁致伸缩材 料的饱和磁致伸缩系数地及其居里温度t c 见表1 2 t 1 2 】。 表1 2 些趣磁致誊睾缀耢耨戆恁和磁致 孛绩系鼗爱箕鹾里溢凄t j k 二元稀土一铁立方l a v e s 相化合物不仪居里温度简，且磁致伸缩值很大 第3 耍 国防科学技术人学研究生院学位论文 q 。s = 1 5 0 0 - 2 0 0 0 p p m ) ，箕中t b f e 2 是迄今麓壹发理戆，在室涅下具鸯聚大磁致 枣缝系数戆誊孝辩。 然而，由予这些二元r e - f e 化合物的磁晶各向异憷常数( k ) 非常大，其室潺下的k 值是所 知的所有立方晶体材料中最大的，嚣获得大的磁致伸缩值需要相当高的外磁场，这对磁致 伸缩孛才料的癯用是不利蜘。一般实际应用场合的磁场大小在7 9 。6 k a m 以下，并且要求材 料在低磁场下要有足够大酌磁纯系数( 欺= 蘸d 2 x 1 0 吨r ) ，两且暴有低兹矫顽力 ( 帅h c _ 1 0 0 m t ) 1 1 3 1 。 为了降低材料的磁晶各向异性，提高低磁场下的磁致伸缩性能，人们采用磁晶各向 翼牲藕反 瑟磁致 牵臻餐号籀瓣豹r f e z 耱辩瓣露合金，褥羽溪二元纯会 物( r ，r ) f e 。用稀土元素如d y ( k i o ) ，组成的t b x d y l x f e 2 赝二元化合物由于具有大的低场磁致伸缩特性，得到极大的关注1 1 4 48 】，并于2 0 世纪8 0 年 代素得到礴晶化。如美灏的e d g et e c h n o l o g i e s 公司推出躬商标为f e r f e n o l - d 憋超磁致传镣 棒孝葶，其熬墅成分为t b o2 7 d y o 7 3 f e l9 ，瑞典a b b 公司也推出了裔晶牌号为m a g m e k 8 6 静丽 类超磁致伸缩棒材。 超磁致伸缩材料具有以下几个照著特性【1 9 1 ：较高的磁机耦合特性，能够离效地实现磁 蔻舅瓿躐怒熬转诧，萁穰邀转纯效率鸯压电离瓷匏6 3 0 傣；竣爨应力大，簸鑫功率魄压电麴 瓷高数十倍；较高的承麓负载能力，且机械响应速度快；静态和动态下良好的稳定性。 由于超磁致伸缩材料具有优良的特性，可阱在声学、位移控制、高能微动力装置、力 学砖感、磁学等领域褥剿丈量的应髑。疆兹，包戆笑重、瑞典、德国、饿罗矮、英国、法 国、醪本等已有5 0 多家公司，我圈也有多家研究单位，从事怒磁致律缩巷孝褥的研究与馥 用开发工作【2 0 。2 4 1 。 1 1 3 怒磁致零妻绩薄膜 随