實驗名稱：複合材料的磁電性能和高頻諧振響應

　　研究方向：材料測試

　　測試目的：

由于在磁場探測、能量收集等領域具有潛在應用前景，多鐵性磁電複合材料已經引起了持續的關注。磁電複合材料包含磁致伸縮相和壓電相，通過兩相界面進行應力應變傳遞，從而通過對材料施加交流磁場引發振動，這種振動傳遞到壓電相會引發電極化，進而引發磁電響應。通過兩相材料的選擇、振動模式的優化，複合材料磁電耦合系數明顯提高，特別是近年來剪切磁電系數受到廣泛關注，在高頻磁場探測中具有廣闊的應用前景，可獲得高的信噪比，先前的工作使用铽镝鐵合金和钇鐵石榴石等磁致伸縮材料提供伸縮或剪切應力，帶動具有較大剪切壓電系數的铌鎂酸鉛、钛酸镓镧、聚偏氟乙烯等材料實現剪切應變，制備伸縮-剪切或剪切-剪切振動模式磁電複合材料。而作爲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，铌酸锂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；同時铌酸锂可以通過單晶切型變化獲得不同的壓電系數，有利于設計各向異性的剪切振動模式磁電器件。因此，通過使用不同切型铌酸锂單晶研究剪切磁電系數具有理論和實用意義。

　　測試設備：機械夾持裝置、ATA-4014高壓放大器、阻抗頻譜分析儀、铌酸锂單晶材料、氧樹脂或α-氰基丙烯酸乙酯、鐵氟龍膠帶。

　　圖：伸縮-剪切模式磁電複合結構示意圖

　　實驗過程：

　　將單片尺寸爲16mm×5mm×25?m的3,5,10片Metglas薄片分别用环氧树脂粘接成Metglas叠层，从而提高其厚度和磁致伸縮应力。使用尺寸为13mm×5mm×0.5mm的铌酸锂单晶制备Metglas/LiNbO3/Metglas叠层複合材料。伸縮-剪切结构的机械夹持玻璃通过环氧树脂或α-氰基丙烯酸乙酯进行粘接，制备成叠层磁电複合材料，其中使用具有不同壓電系數d15(或d16)的铌酸锂xzt/0?,xzt/30?,xyt/0?,xyt/30?,xyt/41?等單晶切型。然後，使用ZJ-6型准静态d33/d31(+d15)测量仪测试铌酸锂的剪切压电系数，使用阻抗频谱分析仪测试铌酸锂的电容和阻抗频谱并计算介电常数。之后，将尺寸为12mm×5mm×1mm的薄磁带放于伸縮-剪切结构磁电複合材料的单侧或两侧各放一片，并通过铁氟龙胶带固定其位置，使用实验室自行搭建的测试系统在1kHz时测试复合结构的磁电系数，並在1kHz—1MHz頻率範圍內使用ATA-4014功率放大器測試磁電響應隨頻率的變化。

　　實驗結果：

　　不同粘接層數Metglas/LiNbO3(xzt/0?)伸縮-剪切复合结构分别用环氧树脂和α-氰基丙烯酸乙酯粘接机械夹持玻璃时的磁电系数，图中写明了相应的剪切磁电系数，计算剪切磁电系数的公式为αE15=αE-Clamping?αE-Freedom，其中αE-Clamping表示机械夹持状态测得的伸縮+剪切磁电系数，αE-Freedom表示机械自由状态测得的伸縮磁电系数。图中显示最优直流偏置磁场Hdc随着Metglas薄片层数的上升而上升，这是由于更厚的磁致伸縮层需要更大的直流偏置磁场，而在10层Metglas薄片粘接时需要的直流偏置磁场仍小于100Oe(1Oe=79.5775A/m)，這得益于Metglas在面内方向比传统磁致伸縮材料Terfenol-D拥有更高的磁导率。在5層Metglas粘接時，磁性層厚度和壓磁系數的乘積有最優值，此時複合材料具有最大磁電系數。當把機械夾持玻璃的粘接劑換爲環氧樹脂時，剪切磁電系數從82mV/(cm·Oe)提高到109mV/(cm·Oe)，且更換粘接劑使剪切磁電系數在不同層數Metglas的複合材料中均有提高，這是因爲環氧樹脂比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。爲了證實剪切磁電系數和壓電系數的對應關系，通過准靜態d33/d31(+d15)測量儀實測了铌酸锂單晶的剪切壓電系數d15。結果表明實測剪切壓電系數和理論值能夠較好符合，铌酸锂xzt/30?切型的最大d15爲77pC/N，實測值略小于理論值，是由于購買的正常切型铌酸锂剪切壓電系數66pC/N也小于理論值74pC/N。爲了研究晶體方向和介電常數的關系，使用阻抗頻譜分析測試了铌酸锂的電容。尺寸爲13mm×5mm×0.5mm的铌酸锂晶片電容值Cp和頻率f的關系，xyt和xzt系列切型铌酸锂在頻率爲1kHz時的電容值均爲90pF，計算得到對應的介電常數εT11爲80，與理論結果一致。

　　圖：粘接不同層數Metglas伸縮-剪切复合结构磁电系数αE15与直流偏置磁场的关系

　　安泰ATA-4014高壓功率放大器：

　　圖：ATA-4014高壓功率放大器指标参数

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