實驗名稱：復(fu)合材(cai)料的磁電性(xing)能和(he)高頻諧振響(xiang)應

　　研究(jiu)方(fang)向：材料測試

　　測試目的：

由于在(zai)磁(ci)(ci)場探測、能量收集等領(ling)域具有潛在(zai)應用前景，多鐵(tie)性磁(ci)(ci)電復合材(cai)料已經引起了持續的關注(zhu)。磁(ci)電(dian)復合(he)材料(liao)包(bao)含(han)磁(ci)致伸縮相和壓電(dian)相，通過(guo)兩相(xiang)界面進行應(ying)(ying)力應(ying)(ying)變傳(chuan)遞，從而通過(guo)對材料施加交流磁場引(yin)發(fa)振動，這(zhe)種振動傳(chuan)遞到壓電(dian)(dian)相(xiang)會(hui)引(yin)發(fa)電(dian)(dian)極化(hua)，進而引(yin)發(fa)磁電(dian)(dian)響應(ying)(ying)。通過(guo)兩相(xiang)材料的(de)(de)選擇、振動模式的(de)(de)優化(hua)，復合材料磁電(dian)(dian)耦合系(xi)數(shu)明顯提高(gao)，特別是(shi)近年來剪(jian)(jian)切(qie)磁電(dian)(dian)系(xi)數(shu)受到廣泛關注，在高(gao)頻(pin)磁場探(tan)測(ce)中具有(you)廣闊的(de)(de)應(ying)(ying)用前景，可獲得高(gao)的(de)(de)信噪(zao)比，先前的(de)(de)工作使(shi)用鋱鏑鐵合金和釔鐵石榴(liu)石等(deng)(deng)磁致伸縮材料提供(gong)伸縮或剪(jian)(jian)切(qie)應(ying)(ying)力，帶動具有(you)較大剪(jian)(jian)切(qie)壓電(dian)(dian)系(xi)數(shu)的(de)(de)鈮鎂酸鉛、鈦(tai)酸鎵鑭、聚(ju)偏氟乙烯等(deng)(deng)材料實現剪(jian)(jian)切(qie)應(ying)(ying)變，制備(bei)伸(shen)縮-剪切或剪切-剪切振動模式磁電復合材料。而作為一種具有高機械品質因數Qm和低介電常數ε的無鉛壓電材料，鈮酸鋰單晶具有較大的剪切壓電系數d15和d24，有望實現大的剪切磁電響應；同時鈮酸(suan)鋰可以通過(guo)單晶切型(xing)變化(hua)獲得(de)不同的壓電系(xi)數，有利于設(she)計各向異性(xing)的剪(jian)(jian)切振動模式磁(ci)電器件。因此，通過(guo)使用(yong)(yong)不同切型(xing)鈮酸(suan)鋰單晶研究(jiu)剪(jian)(jian)切磁(ci)電系(xi)數具有理論(lun)和(he)實(shi)用(yong)(yong)意義(yi)。

　　測試設(she)備：機(ji)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-剪切模式磁電復合結構示意圖

　　實驗過(guo)程：

　　將單(dan)片尺(chi)寸為16mm×5mm×25μm的3,5,10片Metglas薄片分別用環氧樹脂粘接成Metglas疊層，從而提高其厚度和磁致伸縮應力。使用尺寸為13mm×5mm×0.5mm的鈮酸鋰單晶制備Metglas/LiNbO3/Metglas疊層復合材料。伸縮-剪切結構的機械夾持玻璃通過環氧樹脂或α-氰基丙烯酸乙酯進行粘接，制備成疊層磁電復合材料，其中使用(yong)具(ju)有不同壓電系數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(shi)用ZJ-6型準靜態d33/d31(+d15)測量儀測試鈮酸鋰的剪切壓電系數，使用阻抗頻譜分析儀測試鈮酸鋰的電容和阻抗頻譜并計算介電常數。之后，將尺寸為12mm×5mm×1mm的薄磁帶放于伸縮-剪切結構磁電復合材料的單側或兩側各放一片，并通過鐵氟龍膠帶固定其位置，使用實驗室自行搭建的測試系統在1kHz時測試復合結構的磁電系數，并在1kHz—1MHz頻率范圍內使用ATA-4014功率放大器測試磁電響應隨頻率的變化。

　　實驗結果：

　　不(bu)同(tong)粘接層數Metglas/LiNbO3(xzt/0?)伸縮-剪切復合結構分別用環氧樹脂和α-氰基丙烯酸乙酯粘接機械夾持玻璃時的磁電系數，圖中寫明了相應的剪切磁電系數，計算剪切磁電系數的公式為αE15=αE-Clamping?αE-Freedom，其中αE-Clamping表示機械夾持狀態測得的伸縮+剪切磁電系數，αE-Freedom表示機械自由狀態測得的伸縮磁電系數。圖中顯示最優直流偏置磁場Hdc隨著Metglas薄片層數的上升而上升，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在面內方向比傳統磁致伸縮材料Terfenol-D擁有更高的磁導率。在5層Metglas粘接時，磁性層厚度和壓磁系數的乘積有最優值，此時復合材料具有最大磁電系數。當把機械夾持玻璃的粘接劑換為環氧樹脂時，剪切磁電系數從82mV/(cm·Oe)提高到109mV/(cm·Oe)，且更(geng)換(huan)粘(zhan)接劑使剪切磁(ci)電系數在不同層數Metglas的復合材料中均有提高，這是因為環(huan)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Metglas向兩側的振動起到更好的抑制效果，使振動能量更多地施加在壓電相上。為了證實剪切磁電系數和壓電系數的對應關系，通(tong)過(guo)準靜態d33/d31(+d15)測量儀實測了鈮酸鋰單晶的剪切壓電系數d15。結(jie)果表明實測剪(jian)切壓電(dian)系數和理論值能夠較好符合，鈮(ni)酸鋰xzt/30?切型的最大d15為77pC/N，實測值(zhi)略小(xiao)于理論值(zhi)，是由于購(gou)買的正常切(qie)型鈮酸鋰剪切(qie)壓(ya)電系數66pC/N也小于理論值74pC/N。為(wei)了研究晶體方向和介電常數(shu)的關系，使用阻(zu)抗頻(pin)譜(pu)分析測試(shi)了鈮酸鋰的電容(rong)。尺寸為(wei)13mm×5mm×0.5mm的鈮酸鋰晶片電容值Cp和頻率f的關系，xyt和xzt系列切(qie)型鈮酸鋰在頻率為1kHz時的電容值均為90pF，計算得到對應的介電常數εT11為80，與理論結果一致。

　　圖：粘接不同(tong)層數Metglas伸縮-剪切復合結構磁電系數αE15與直流偏置磁場的關系

　　安(an)泰ATA-4014高壓功率放大器：

　　圖：ATA-4014高壓功(gong)率放大器指標參(can)數

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