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1、磁电复合材料的磁电效应及其工作原理材料与信息，能源并列称为当代文明的“三大支柱社会综合实力的增强和人们物质 文化水平的提高都与高性能的新型材料相关功能材料主要包括了一大类电介质和铁性材料, 主要涉及电、磁、声、光，热等物理效应，是众多电子元器件的基础基于这些材料，产生 了许多电子元器件，如片式电容、片式电感、磁通门等等。随着社会的进步及科学的发展，传 统材料将会逐渐.难以满足现代技 术的要求，寻觅更高性能的新材料或者开辟多功能材料将 是未来功能材料的主要发展方向。参铁性材料是一种新型功能材料多铁性材料是指具有两种或者两种以上铁性的材料q 其中铁性是指铁龟性（ferroelectricity铁磁
2、性（足rrom篇gnetim）以及 铁弹性 （ferroelasticity） 多铁性材料除了具备本身的铁性外，还具有两种铁性的交叉耦合性能，如 磁电、磁介电等性能，是一种具有新性能也具有多功能性的新材料。这些特殊性能在新型传 感器、换能器以及能量采集器等器件上具有潜在的应用2022年，多铁性材料被评为 （Science八杂志预测的2022年世界最值得关注的7大热点研究领域，近年来，多铁性材料的 研究【2山句已经逐渐成为当前国际材料科学领域的热点之一。其中，具有铁电性和铁磁性 的磁电复合材料受到人们越来越多的关注气它多样化的成份与结构以及很显著的磁电耦 合性能促进了新型电子器件的开辟吼在自然界
3、中惟独少数单相化合物具有多铁效应，且化合物的Curie温度和N6el温度通 常远低于室温.早期科研人员花费巨大的精力去合成单相多铁材料，但结果都不够理想，因 这人们开始倾向于采用复合的方法来获取磁电材料。磁电复合材料是将铁电材料与铁磁材料 经各种方法复合形成的一种新型多铁性材料点与大多数单相磁电材料相比，磁电复合材料在 室温下就具有磁电情合效应且磁租 转换系数较大。因此.采用复合方式获得磁电效应受到众 多研究者的重视“七基于磁电复合材料的室温磁电性能，它在微波信号传输、换能器、宽频 段磁探测、磁传感器、存储器等领域具有潜在的应用|皿随者磁电复合材料的逐渐发展，人们的研究重 点从前期的理论预测、
4、简单体系的制备和磁电性能研究以及刀方面逐渐延伸到复杂体系的制 备以及器件开辟区必咫（比如能量采集器、换能器）等 方面，各个尺度下的磁电复合材料及其 器件正在得到充分的发展。磁电效应是指材料在外加破场作用下产生电极化或者占材料在外加电场作用 下产生破 化的现象列.对于磴电复合14料来讲,磁电效应可认为是压电效应和磁致伸墙效应“乘税” 的体现，可羲示为，观峥制譬成心峥岛譬X1-1)将压电相和压磁相以一定的方式复合就可以得到较理想的磁电效应P 询.L11压电效应!电效应(piezoelectric eflect) M J.Curie和PCurie兄弟于1880年在a石 英晶体上首 先发现的。1管合0
5、年，Valasek发现酒石岐郤钠(NaKCJLQIHQ)的 检化可以通ilMtU外电场 而反向-压电材料的广泛应用，是从20世纪40年代中 期开胎的,在60年代和70年代达到 了或者然的阶段.至今发现的压电材料已有散千种.己羟成为了一类重要的功能材料.正压电效应：某些介电晶体无对称中心的异极晶体)受到外界机械力作用 时，益体内 部诱发出介电极化，导致品体的端衰血浮现符号相反的束缚电荷，U电荷密度与外力成正比， 如图1 1所示.3* I , ! : Q -I 每 二图1：压电鼎体产生压町效应的机理示意图I图11 (a)表示出压电晶体中成点在某方向的投影此时，品体不受外力作用，正负电荷 中心重合，
6、整个晶体总电矩为等.晶体表面不带电.图1 l(b)Ll(c)分别表示晶体受压缩和受 拉伸时的电荷情况.在这两种情况下，品体&而衍电的符号相反,这种没有电场作用，由机械 应力的作用而使电介质及体产生 极化而形成晶体表面电背的现象称为1E压电效应，其数学 表示式为：15Da f S,“.(L2b)式怕D为电位移；Tj为应力；Sj为应变；S为压电成变系数：为压电应力系矍攵.m=l、 2、3；户1、2、3、4、5, 6.下标“m”代表电学量的方向，下标“广代表力学量的方向.I、 2、3分别对成直角坐标x、y.z三个方向-逆压电效应：与上述情况相反.将贝有压电效应的电介质晶体霓于电场中，电场的作用 会引
7、起晶体内部正负电荷吏心的位移，这一极化位移又导致晶体发生 形变，这个效应软称 为逆压电效应.K教学表达式为：UE(l-3a)式中，n=l2 3; i,jk2、3、4、5,6.无论是正压电效应，还是逆压电效应.两者统称为压电效应.压电效应是一 种机电情合 效应，可将机械能转换成电能.或者反之.具有此效应的材料称为压电 材料.压电方程是反应 压电体力学量应力T、应变S和电学最电场强度E、电位 移D四个参数之间关系的方程式. 由于边界条件和自变量的差异，压电方程具 有不同的形式.不同的力学和电学边界条件F所 对应的压电方程表达式.如& 所示.表征压电材料压电性能的参数有介电常数，弹性常数、压电系数、
8、介质损耗、机械品质 因数以及机电隅合系数等.介电常故反映了材料的介电性质(或者极化性 成).压电系数是压 电体把机械能转变为电能或者把电能转变为机械能的转换系数，反映了压电材料弹性性能与 介电性能之间的M；合关系介质损耗用来表征介电体在电场作用下，由发热而导致的能址 圾显机械品质因数表征了压电体谐振时因 克服内康擦而损耗的能量.机电耦合系数足表征 压电体的机械能与电能相互牲换能力的参数，是衡迁材料压电性能强弱的重要参数之一，用K表示.表1 1:四种形式的压电方程凹边界条件压电方程CT = O E=0D - dnE。=0,D-0E -+a-cKs-eTE& = 0,E=0D = e8 + / =
9、 0,D=0E = h、伊D1-2.2磁致伸缩效应磁致伸缩效应：磁性材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生弱小的变化，这种 现象称为磁致伸缩或者磁致伸缩效应I冽.磁致伸缩有三种表现形式：1）沿着外磁场方向尺寸大小的相对变化，称为纵向磁致伸缩；（2）垂直于外磁场方向尺 寸大小的相对变化，称为横向磁致伸缩；（3）铁磁体被磁化时体积大 小的相对变化，称为 体积磁致伸缩.体积伸缩量很小，小到可以被忽略。纵向和 横向磁致伸缩统称为线性磁致伸 缩.通常讨论的磁致伸缩是指线性磁致伸缩.磁 致伸缩效应的大小通常用磁致伸缩系数人来 面母，其中：,苧（I）磁致伸缩的大小与外磁场强度的大小有关.图1 2为磁性
10、材料的磁致伸缩系数与 外磁场强 度H的关系示意图.当外磁场达到饱和磁化场时，纵向磁致伸缩为-确定值，以k表示，称为硅性材料的1意和硝致伸增系故.值和磁致仲缩系数E也是谩性材料 的个重赛磁性参数.不同材料的情和破致伸编系数是不同的，有的右小f零，百的2s大于零,独0的称为 正磁致伸缩，如钦的磁致伸编就是属于这类：独V0的称为负磁致伸缩，镶的磁致伸缩属 于这一类.对于一定的材料，入是一个常数.图12：性材科的磁致伸缩系数1与外破场强度H的关系示意图同秘致伸蝎的产生是由于仪磁材料或者亚铁磁材14在聘里.点温度以下发生自发 愿化， 形成大锹破引起的.在每一个磁畤内，晶格发生形变，其磁化强度的方向是自发
11、形变的一个 主轴.在未检加外谶场时，磁明的威化方向是随机取向的，不 显示宏观效应(如图13 () 所示)：在外加磁场中，大量破畴的磁化方向转向外场H方向(如图13 (b)所示)，如 果畤内破化强度方向是自发形变的长串由，则材料在外场方向伸长.即正磁致伸缩：如果畴内 破化强度方向呈自发形变的短轴，则材料在外场方向将缩短，即负破致伸矢氤品体中,破致伸 编一股是各向异性的.磁致伸墙同样存在逆效应.豪化后的铁战M体，当受到外界交变应力作用而 引起应变 时，在其内制捋产生一个交变的破场，这种现聚是Villnri于1865年发现的，称为逆磁致仲 缩效应.它说明应变可以影响磁化，所以有时逆磁致伸缩效 应也称
12、为铁祗体的压磁性.破致伸缩效应及其逆效应实现了堆场和力场之间的桐合.具有压慰性的收破 材料在交 变堡场下磴致伸缩效鹿使，慑成材料发生与交变磁场相同率的机核撮 功，磴能借助于压硝 材料的磁致仲缩效应转换成机械能而向外传播.反之，由于 破致伸缩的逆效应，一定步直率的 机械振动也可使材料的磁化状态发生变化.在超声技术中，这两种效应被广泛应用于产生和接收超声波的换能器件中。(b) H#0. M”(a) H=0, M=0图1-3：磁化过程中磁畴的转动并伴有着自发形变轴的旋转的L23般电效应及其裹征磁电效应：将压电材料与磁致伸缩材料复合后，两种材料之间的应力/应变 通过界 面进行相互耦合即可得到磁电效应。
13、具体产生过程如图14所示：当复合材料处在外加磁 场中时，磁致伸缩材料发生形变，产生应力，作用在压电材料上，由于正压电效应，复合 材料两端产生束缚电荷，即“磁电效应”，用(ME),表示.反之，当复合材料处在外加电 场中时，压电材料会发生形变，产生应力，作用在 磁致伸缩材料上，使得复合材料磁性 状态发生变化，即“逆磁电效应”，用(ME)e表示。磁致伸缩/压电复合陶彳免(八Terfenol-D/PZT)应变/电极化破电性磁场/电极化MogneticneldH 磁致伸绢植场/应变图14：夏合*电效应的产生机理日勺破电效应的衰征：线性磁电效应可以用式(15)表示:EyH(1-5)其中，s为蹴电系数回，是
14、二阶虫量，其单位为Vern其大小只与材 料有关而 与材料的尺寸大小无关.通常用它*衰征磁电效应的大小在实验操作中，破电效应产生的极化电荷易从外电路泓露抻，从而导致得不 到的电 场E,所以在静态用电场E羟以进疗校测.当前，测髭破电效应缺常用 的方法是微扰法1 微扰法是在向被测材品施加点流偏置磁场的基础上,再横 加一个起做扰作用的丸小交 变磁场，文变破场通常由函数伯号发生器就动个夜姆林姣线圈产生.在微扰交变磁场的作 用下，由0流偏置磁场透号产生的电极化 姓于不断的变化中，于是诃以海源不断地输出 交变电压或者电荷到外电路中.建于后续的电压或者电荷弟量在测最过程中，偏置磁场的大小也会影响磁电效应.普通情况卜.电转挨 系数会先 MfiA流偏黄磁场的增大而增大，达到J8大值后，再随着偏置磴场的增 大而减小.因此, 存在一个破佳偏置磁场，在诙It场F,磁电转换系数取带最大 值皿。