Dynamic magnetoelectric effect in polymer-based laminate composite.doc

层合聚合物的动态磁电效应Ning Caia, Ying Zhaoa, Xinhua Geng a, Siuwing Orba 南开大学光电子薄膜器件与技术研究所，教育部光电信息科学与技术重点实验室，中国天津 300071b香港理工大学应用物理系，中国香港九龙红磡收到于07年3月20号，再经修订的形式收到于的2007年4月9日，接受于2007年4月15号摘要：磁电效应被定义为一种材料在磁场中感应电极化，或者在电场中感应而磁化。这种效应促进磁能和电能之间的转换。本文介绍一种新型的层压复合材料它由1-3压电压电/环氧复合材料和准1-3超磁致伸缩磁致伸缩/环氧复合材料组成。动态耦合磁机电一体化作用于这种新型复合材料被简单的等效电路方法替代，我们的实验数据证明了这个结果的有效性。计算结果与实验数据吻合。这两个数据证明磁电系数不仅和压电和磁致伸缩系数紧密相关，而且与直流磁场有关。结果证明，共振频率受直流同步磁场和压电以及磁致伸缩系数的影响。对于这种新型复合材料，是第一次在理论上提出通过等效电路的方法找到包括材料等因素影响的磁电系数与结构和场参数的定量关系。 2007 Elsevier B.V.保留所有权利。关键字：铁电体;磁有序材料，介电响应1.简介：磁电效应被定义为一种材料在磁场中感应电极化，或者在电场中感应而磁化。这种效应促进磁能和电能之间的转换1。这种新材料在转换器，传感器，制动器，发电机上的潜在应用使它受到广泛关注2,3。一些单相磁电材料自身具有磁电效应，比如RMnO34。但是他们的磁电效应很弱，通常要在低温或高磁场的环境下观察。与此相反，在19世纪70年代，在由磁致伸缩铁氧体和压电陶瓷组成的多相复合材料发现更明显的磁电效应，它的属性介于磁致伸缩效应和压电效应之间5。在最近30年，一些磁电效应复合材料6-14得到了发展，例如两相陶瓷陶瓷复合材料，三相陶瓷陶瓷聚合物复合材料。对这些材料的研究显示出高分子基质层压复合材料的特性，即高工作频率，低涡流损耗和良好的机械性能11-15。对磁电效应的理论和实验16-20研究取得了有价值的数据。但是很难在受结构，元素和磁场影响的情况下用一种简单的方式给出近似的磁电效应系数。本文，我们将介绍一种新型磁电效应层压复合材料。这种结构设计的目的是减少固有的涡流损失和传统单片合金和陶瓷复合材料的机械脆性，同时保持与纯净材料一样良好的压电或磁致伸缩特性。接下来的好处是我们这样设计以取代之前提到的两个合金/环氧之间的0-3压电复合夹板结构和厚度方向板中0-3磁致伸缩材料(MSCP)的主要意图11。如图1所示，这个特殊设计的磁致伸缩/压电复合材料，层压的压电/环氧树脂1-3型压电复合材料（PECP）夹心层沿厚度方向在两个准1-3超磁致伸缩磁致伸缩/环氧复合材料(MSCP)之间。MSCP板的磁化方向沿长度方向，PECP的极化沿厚度方向，这样可以避免环氧分离对在长度方向压电模块极化的影响。在Fig.1(b),MSCP和PECP的局部坐标通过右手法则确定，并且把磁化和极化方向分别作为三个轴线。这是一个新结构的磁电效应材料。为了综合理解这样一个新结构，一种简单的理论方法等效电路法16将被用来模拟这个1-3层压。我们将介绍在构成成分，直流偏置磁场和工作频率的影响下磁场的定量反应。而且我们将得出的关系。2.实验PECP板的构造可以如下描述：两套等距，用配有80厚度金刚石刀片精密切割锯在正交方向把平行槽切成规格的极化压电板。Epoxy（Polysciences公司，美国）使细槽里形成真空。得出PECP板的压电体积分数率是0.6和0.75。MSCP板的构造可以如下描述:10-300大小，50vol.%磁致伸缩粒子(甘肃天星稀土功能材料有限公司,中国)和50vol.% 斯珀尔环氧（Polysciences公司，美国）在一个规格为30mm(length)12mm12mm的矩形腔模具里同源混合。经过30分钟真空脱气，模具是一间密封的钕铁硼永磁体对放置02导致磁致伸缩三维粒子沿对齐磁通线和生产伪- 1 - 3复合材料。整个模具磁铁装配放在80的烤箱中4小时以确保环氧树脂充分固化。接着把固化的复合材料切割成想要的14mm6mm1.6mm规格。这个如Fig.1所示的磁电效应层压结构由两个MSCP板夹着PECP板组成。该板在10MPa 40 C 环境下10 小时，采用了保税载银环氧胶粘剂，以保证板块之间良好的机械耦合，这样两个样品就做好了。在MSCP层它们有相同的磁致伸缩粒子体积分数率(50 vol.%)，但是在PECP层有不同的压电体积分数率。测定这个层压板的磁电效应特性是在0.1-100kHz的频率变化范围内通过穿过一个Hbias由5 Oe到1.5 KOe变化的正弦磁驱动场。H是由一亥姆霍兹线圈的动态信号分析仪（Ono Sokki CF5220）驱动通过恒定电流电源放大器（AE Techron 7572）偏差。Hbias是提供的水冷式电磁铁（Myltem PEM-8005K），由直流电源控制供应（索伦森DHP200 - 15）。H和Hbias在原地进行监测由一个接线圈和高斯计（F. W. Bell 7030）。 Q由电荷放大器（Kistler 5015A）获得。所有数据由动态信号分析仪抽样并记录在一台计算机中。在电磁效应电压系数（）的计算=Q/(tCH),其中t = 0.8毫米，是PECP板的厚度。3.理论框架为了计算层压结构复合材料磁电效应系数，使用等效电路法。该复合材料在这里有一个新的结构（PECP的极化在厚度方向而不是长度方向。）相比文学的描述，我们给出的演化过程如下。当磁场H是沿纵向应用或z方向的层压板，如图Fig.1所示，它的反应涉及磁弹电耦合效应描述下列一般方程。对于MSCP和PECP，分别有方程(1)和(2)：， (1) , (2)H3是磁场沿z方向的作用。 , 和 ，分别是磁致伸缩层和压电层沿 z 轴方向的应变和应力。，和随着弹性顺度常量H变化，纵向压电常数和磁场在磁致伸缩层。B3是诱导磁通密度。，g31p和是常量D的弹性顺度，压电系数和介电钢度压电层。E3和D3是电场和介质位移压电层。如果两端面给出的速度v1和v2，正弦交流磁场应用于样品，并且假设层之间结合的很完美，我们得到力F1和F2： ，(3)A1和A2分别是压电层和磁致伸缩层的断面面积。层压板的声音速率和波数由下式给出： （4） （5） 是角频率。是复合材料的长度。n是磁致伸缩相体积分数，是层压板的平均质量密度。压电板产生的电压V可以由电场Eq积分得到电场E3得到。消除应力T，如式： （6）其中，hp是PECP层的厚度。相应地，压电板所生产的耦合电流I： （7） 其中，。最终转化成 ，（8）其中:, ， ，, , ,等式（8）可以描述为如Fig.2所示的电路，是之前命名的磁电等效电路。在自由无边界条件（F1=F2=0），这个等效电路如Fig.3描述，其中.由Fig.3，Fig.1中复合材料的磁电系数E可以表述为以下方程：（9）Fig.2 磁电效应层压板的磁电等效电路图：Fig.3在自由无边界条件下磁电效应层压版的磁电等效电路图。Table 1本论文中使用的典型压电材料的参数在我们用等式（9）计算之前，我们必须知道一些材料系数包括MSPC的d33m和sH33，PECP的g31p和，MECP的平均密度。Fig.4（a）和（b）中的d33m和sH33能够由Ref.21得到。可以由压电的密度，PVDF，三维磁致伸缩和层的厚度比得出。由Ref.22，在不同压电体积分数 下PECP的g31p和（如Fig.4所示），可以用方程组（10）计算出，其中需要的常量在Table 1和2中：Table 2环氧树脂的典型材料参数Fig.4 材料常数：（a）遵守和（b）磁致伸缩的MSCP; （c）遵守和（d）为PECP压电常数。, , (10) 4. 计算结果和讨论4.1. 与Fig.5给出了如等式（9）在压电层的压电系数工作在频率为10KHz，Hbias为40 kA/m磁致伸缩层不同磁致伸缩体积分数(i.e.T-D = 0.22, 0.32,0.42, 0.50, 0.61, 0.72, respectively)。当在2% 100%呈U形变化。在=2%和100%得到两个峰值。随着的增大，梯度曲线相应增加。Fig.5. 和对比。从Fig.5-10，所有的曲线为计算结果，固定点是实验数据这种变化趋势是和g31p和密切相关的，如Fig.4（c）和（d）所示。在 20%的范围内，g31p变化平稳，对影响的重要因素被取代。在Fig.5中的两个固定点是我们试验得到的实验数据，和计算结果非常接近。Fig.6 . 和对比在10KHz,40kA/m,当= 1, 0.75, 0.6, 0.5，和的计算式在Fig.6.在这个图中，我们知道随的增长而增长，在=60%时趋于饱和，这与基于聚合物MSCP的磁致伸缩饱和现象12。我们测量两个如上描述的复合材料的磁电效应系数，在Fig.6中用点标记它们。可以看出，它们和计算结果几乎一样。42. E与频率使固定在50%，压电体积分数由0.1到1变化像由等式(9)模拟和展示的一样。这是大多数磁电效应材料的典型的磁电效应灵敏度。可以在所有情况下观察到磁电效应响应无明显分散除了磁电效应响应在40-90KHz时。对于不同的，MSCP的共振频率集中在40-90KHz范围内.在低于40KHz的频率范围，稳定上升。但是，每个曲线的高峰在5080千赫，主要是由于范围增强弹性耦合相互作用PECP和MSCP在共振频率复合层。Fig.7明白的给我们展示了在分别等于50%，75%或者60%层压MECP的计算结果和实验数据的差别。计算比较得，实验数据（Fig.7b中的点）在低频率非常相似（确切地，在共振频率之前）。然而，在更高的频率，因为实际损耗包括复合材料的介电体损耗和机械损耗，实验数据有点高，因为峰值的拓展。Fig.7. 与频率对比：（a）计算；（b）计算和实验结果的比较4.3 在=50%，80%（如Fig.8所示）。它可以由等式（9）解释。当等于，变成最大值。等式（9）决定第一个共振频率E出现在 （11）此时，n,和是常量。n,分别等于0.72和14mm。那么只有两个变量影响共振频率。一个是，一个是。当从0增加到1，从3.9直线增长到5.8kg/cm3,然而从222直线减小为16.3pm2/N.在改变时它们相互制约。因此只是有微小的改变。Fig.8中测量出的所准备的复合材料的共振频率。因为如上所述的原因它比计算结果高一点。4.4 和， 由Fig.4，MSCP的和随直流磁场变化，由此我们将研究磁电效应的依赖性和共振频率。Fig.9证明在不同的直流磁场的复合材料下计算出的共振频率和。此图中，和略微随改变。说明了详细的和磁场的依赖领域。测量的（Fig.10中的点）和计算的（Fig.10中的线）磁电效应系数先随的增加而增加随后减小。共振频率先随减小，随后增加。它们均在=40KA/m时达到峰值。最初和的改变可以解释为引发MSCP板提供的非180畴壁。当增加到40KA/m，他遵守这些增加非变形- 180域墙相关运动最大化。Fig.9 变化时与频率Fig.10 和与除了最佳水平，非约束- 180域壁运动，由于互动产生了压力减少和刚度增加。5.结论本文介绍一种新的磁电效应层压复合材料，压的压电/环氧树脂1-3型压电复合材料（PECP）夹心层夹在两个准1-3超磁致伸缩磁致伸缩/环氧复合材料(MSCP)之间，它有降低涡流损耗，良好的机械长度和相似的压电和磁致伸缩特性的特点。磁电特性的实验和理论研究用等效电路方法完成。这种方法是利用压电和磁致伸缩通过一个运动方程耦合本构方程来执行的。用这种方法，我们解释所有的磁电效应系数的变化为回应内容的变化，磁场和工作频率。这种做法是非常宝贵的实验数据。从这些结果我们得到这样的结论：和共振频率都受复合材料的体积分数和磁场的明显影响。这种复合材料的呈现连个峰值大约在100%和2%。鸣谢：受到香港理工大学Research Grants Council的支持，批准号5255/03E。还要感谢中国天津市科学技术委员会在经费的重大支持，批准号06YFJZJC01700。参考文献：1. P. Curie, Journal de Physique, 3rd series 3 (1894) 393.2. H. Schmid, Ferroelectrics 162 (1994) 317.3. W. Eerenstein, N.D. Mathur, J.F. Scott, Nature 442 (2006) 759.4. T. Lottermoser, T. Lonkai, U. Amann, D. Hohlwein, J. Ihringer,M. Fiebig,Nature 430 (2004) 541.5. J.V. Suchtelen, Philips 27 (1972) 28.6. J.Y. Zhai, S.X. Dong, Z.P. Xing, J.F. Li, D. Viehland, Appl. Phys. Lett. 89.(2006), Art. No. 083507.7. S.A. Lokare, R.S. Devan, B.K. Chougule. J. Alloys Compd.,doi:10.1016/j.jallcom.2006.12.147.8. K. Mori, M. Wuttig, Appl. Phys. Lett. 81 (2002) 100.9. R.V. Chopdekar, Y. Suzuki, Appl. Phys. Lett. 89 (2006), Art. No. 182506.10. G. Srinivasan, Y.K. Fetisov, Ferroelectrics 342 (2006) 65.11. C.W. Nan, L. Liu, N. Cai, J. Zhai, Y. Ye, Y.H. Lin, L.J. Dong, C.X. Xiong,Appl. Phys. Lett. 81 (2002) 3831.12. N. Cai, C.W. Nan, J.Y. Zhai, Y.H. Lin, Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 3516.13. Z. Shi, C.W. Nan, J. Zhang, N. Cai, J.F. Li, Appl. Phys. Lett. 87 (2005),Art. No. 012503.14. J.G. Wan, H. Zhang, X.W. Wang, D.Y. Pan, J.M. Liu, G.H. Wang, Appl.Phys. Lett. 89 (2006), Art. No. 122914.15. Y.H. Lin,