CN101982893A - 一种Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/压电体复合材料及磁电效应应用 - Google Patents
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Abstract
Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/压电体复合材料及磁电效应应用，所述复合材料为NiMnCoSn/压电材料，压电材料为：PZT和PMN-PT单晶。Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/压电层状复合材料的磁电效应应用，以NiMnCoSn/压电材料构成复合材料，首先将压电材料片的表面镀上金属电极，后将片状铁磁相NiMnCoSn形状记忆合金与压电片材料之间粘结构成复合材料，在外加磁场作用下，在复合材料中的压电片有电压输出；由外磁场驱动铁磁相形状记忆合金产生马氏体相变，此结构相变引起的应力作用在压电体上，并通过压电体的压电效应，在压电体上产生电压输出，从而获得正磁电效应。并可得到逆磁电效应的利用。
Description
技术领域
本发明属于形状记忆合金/压电体复合材料技术，是材料物理的范畴，具体涉及到一类具有优异磁电特性以及广泛应用前景的新型复相多铁性材料，即Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/压电陶瓷层状复合材料。提出了利用Ni-Mn基铁磁形状记忆合金中温度、磁场以及外应力对马氏体相变的驱动作用、马氏体相变特征以及压电陶瓷良好的（逆）压电效应，获得了Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/压电陶瓷层状复合材料中优异的磁电效应（包含正磁电效应和逆磁电效应）。
背景技术
磁电多铁性材料由于具有多种功能特性，具有很好的潜在应用前景，最近几十年得到了人们的广泛研究。早期人们主要研究单相磁电多铁性材料，但是，到目前为止，这类材料的新颖特性大都表现在低温下且磁电耦合效应强度较弱，在实际应用上仍然存在很多困难。因此，近年来，人们着手研究具有多铁特性且更具实际应用价值的新型材料。复相磁电多铁性材料是近几年来发展起来的一类新型多功能材料，在室温条件下可以实现复合材料中的磁性及电性之间的相互调控，表现出良好的磁电耦合特性，因此具有很好的实际应用前景。
在复相磁电材料中，包含磁致伸缩合金和压电陶瓷的异质层状结构复合材料得到了人们最广泛的研究，从目前的研究结果来看，在这类复合材料中，“Terfenol-D/压电体”层状复合材料具有最好的磁电耦合综合特性。从原理上讲，对于正磁电效应，它是利用Terfenol-D合金优异的磁致伸缩性能获得大的应力输出，从而可以在铁电体上得到大的电压输出，即得到大的正磁电系数；而对于这一体系中的逆磁电效应，其基本原理是利用铁电体中的逆压电效应和合金中的压磁效应，因此，这一体系材料中的逆磁电效应强度主要取决于合金压磁系数的大小。从材料选择来看，在这一类具有较好磁电特性的复合材料中，铁磁合金中含有价格较高的稀土材料，且其中的压电体大多选择为单晶材料，从制备到加工均有较高的费用。为此，人们希望从新机理、新材料设计角度出发，获得具有更好综合磁电效应特性、成本较低的复合磁电材料。
发明内容
本发明的目的是：从新的机理及新材料选择角度出发，提出并制备出一种新型磁电材料--- Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/ 压电陶瓷层状复合材料及其磁电效应应用，其中的磁电效应机制不同于一般“磁致伸缩合金/铁电体”复合材料，同时也获得了材料中室温下优异的磁电效应。
本发明的技术方案是：一种Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/压电体复合材料及磁电效应应用，所述 Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/ 压电陶瓷复合材料组成的通式为：NiMn CoSn / 压电陶瓷；其中常用的压电陶瓷为： PZT和 PMN-PT单晶。
本发明磁电材料Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/ 压电层状复合材料的应用，通式为NiMn CoSn/ 压电材料。首先将压电材料片的表面镀上金属电极，后将片状铁磁相形状记忆合金与压电片材料之间粘结构成复合材料，在外加磁场作用下，在复合材料中的压电材料片有电压输出；本发明利用外磁场驱动铁磁相形状记忆合金产生马氏体相变，此结构相变引起的应力作用在压电体上，并通过压电体的压电效应，在压电体上产生电压输出，从而获得Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/压电陶瓷层状复合体系中的正磁电效应。
在复合材料的压电体上外加电场时，铁磁形状记忆合金中的磁化强度发生变化；当在压电体上外加电压时，由于压电体的逆压电效应而产生的应力作用在铁磁形状记忆合金上，利用应力驱动铁磁形状记忆合金产生马氏体相变，引起合金中的磁化强度变化，从而获得Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/压电陶瓷层状复合体系中的逆磁电效应。
1. 提出将铁磁形状记忆合金中磁场驱动马氏体相变这一特性应用于“铁磁/压电”复相材料的正磁电效应中。
在此之前，“铁磁/压电”复相材料的正磁电效应研究中，铁磁相所用的是稀土合金（如Terfenol-D合金）、铁氧体（如NiFeO3）等材料，它是利用铁磁相的磁致伸缩特性获得应力输出到压电体，从而在压电体上得到电压输出。我们知道，在铁磁形状记忆合金的马氏体相变过程中，合金的晶格结构发生变化，同样会产生应变。因此，将磁电复合材料中的铁磁相选择为铁磁形状记忆合金，利用这一类合金在外磁场作用下引起的结构相变，输出应力到压电体，从而在压电体上得到电压输出。基于这一原理，本发明获得了室温下Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/ 压电陶瓷层状复合材料中较大的正磁电系数。
本发明的有益效果是：不但获得正磁电效应，而且本发明“铁磁形状记忆合金/压电体”复合材料中获得大的逆磁电效应。目前在“铁磁/压电”复合材料的逆磁电效应研究中，铁磁相通常选择具有优良磁致伸缩特性的合金（如Terfenol-D合金）或具有高的磁导率软磁合金（如FeBSiC合金），其原理主要是利用这类合金的压磁效应（应力作用对软磁合金的磁导率也有重要影响），进而获得逆磁电效应。而在本发明中，通过从新的机理以及新材料选择两方面，结合铁磁形状记忆合金的新颖特性，提出在“铁磁/压电”复合磁电材料中，引入铁磁形状记忆合金作为铁磁相，研究其中的逆磁电效应。其原理是利用铁磁形状记忆合金的马氏体相变过程伴随磁化强度改变，以及温度、应力、磁场对马氏体相变的驱动作用。具体过程为：在相变温度附近，来自于压电陶瓷的应力作用在合金上，与直流偏置磁场共同驱动相变，从而引起磁化强度的变化（由于马氏体及奥氏体相之间大的磁化强度差别）。基于以上原理，我们获得了室温下Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/ 压电陶瓷层状复合材料中优异的逆磁电系数及其良好的温度、磁场和频率特性。
附图说明
图1是Ni43Mn41Co5Sn11/ Pb(Zr0.52Ti0.48)O3层状样品的结构示意图。图中Pb(Zr0.52Ti0.48)O3表面为银电极；铁磁相与压电相之间用环氧树脂胶粘结。
图2是在不同温度下Ni43Mn41Co5Sn11/ Pb(Zr0.52Ti0.48)O3复合材料正磁电系数（αDME）的频谱特性。
图3 是在293 K下，Ni43Mn41Co5Sn11/ Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 复合材料的横向和纵向αDME与直流偏置磁场(Hbias)的关系。
图4是在293 K下，Ni43Mn41Co5Sn11/ Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 复合材料的横向和纵向αDME与交变磁场幅度（Hac）的关系
图5是在不同温度下Ni43Mn41Co5Sn11/ Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 复合材料横向逆磁电系数（αCME）的频谱特性。
图6 是Ni43Mn41Co5Sn11/ Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 复合材料的横向和纵向αCME与直流偏置磁场(Hbias)的关系。
图7 是在293 K下Ni43Mn41Co5Sn11/ Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 复合材料的诱导磁感应强度（Binduced）与驱动电压幅度(Uac)的关系。
具体实施方式
物理量及一些参量的说明：
磁电效应：包含正磁电效应和逆磁电效应，其中，正磁电效应是指材料在磁场作用下的电极化改变，用正磁电系数 
（单位：V /cm Oe）表征；而逆磁电效应是指材料在电场作用下的磁极化强度改变，用逆磁电系数
（单位：G /V）表征。
直流偏置磁场（H bias ）：在磁电效应测量时，加在样品上的外加直流磁场。
交变磁场（H ac ）：在磁电效应测量时，加在样品上的外加交流磁场，一般为正弦信号（
）。
横向磁电效应：在磁电效应中，当外加磁场的方向与电极化方向垂直时，得到的即为横向磁电效应。
纵向磁电效应：在磁电效应中，当外加磁场的方向与电极化方向平行时，得到的即为纵向磁电效应。
1、Ni43Mn41Co5Sn11/ Pb(Zr0.52Ti0.48)O3层状结构，Pb(Zr0.52Ti0.48)O3表面为银电极；铁磁相与压电相之间用环氧树脂胶粘结；Ni43Mn41Co5Sn11/ PMN-PT单晶得到同样效果。
2、Ni43Mn41Co5Sn11是NiMnCoSn是一种特殊成分，其实本发明的NiMnCoSn四种成分的原子比在一定范围内均可以达到本发明的正逆磁电效应，典型的范围是：Ni40-60Mn40-60Co0。01-10Sn5-20。本发明在炼制这些材料的样品时均有不同的控制成分控制，不掺钴亦可。
3、Ni50Mn52Sn14 /Pb(Zr0.52Ti0.48)O3的材料均得到图3和图4的相似结果。
4、Ni50Mn52Sn14 /PMN-PT单晶得到图5的类似结果。
Claims (3)
1.Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/压电体复合材料，其特征是复合材料为NiMn CoSn / 压电材料，压电材料为： PZT和 PMN-PT单晶。
2.Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/ 压电层状复合材料的磁电效应应用，其特征是以NiMn CoSn/ 压电材料构成复合材料，首先将压电材料片的表面镀上金属电极，后将片状铁磁相NiMn CoSn形状记忆合金与压电片材料之间粘结构成复合材料，在外加磁场作用下，在复合材料中的压电片有电压输出；由外磁场驱动铁磁相形状记忆合金产生马氏体相变，此结构相变引起的应力作用在压电体上，并通过压电体的压电效应，在压电体上产生电压输出，从而获得正磁电效应。
3.根据权利要求2所述的Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/ 压电层状复合材料的磁电效应应用，其特征是在复合材料的压电体上外加电场时，铁磁形状记忆合金中的磁化强度发生变化；当在压电体上外加电压时，压电体的逆压电效应而产生的应力作用在铁磁形状记忆合金上，利用应力驱动铁磁形状记忆合金产生马氏体相变，引起合金中的磁化强度变化，从而获得Ni-Mn基铁磁形状记忆合金/压电陶瓷层状复合体系中的逆磁电效应。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110302 |