CN102130292A

CN102130292A - 一种提升梯度材料磁电性质的方法

Info

Publication number: CN102130292A
Application number: CN2011100014157A
Authority: CN
Inventors: 李永; 舒畅
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2011-01-06
Filing date: 2011-01-06
Publication date: 2011-07-20

Abstract

一种提升梯度材料磁电性质的方法，将镍(Ni)基合金和压电陶瓷制成梯度材料，镍基合金为Ni/Mn/Ti，压电材料为PZT属于铁电陶瓷。该梯度材料与现有梯度材料相比具有磁电性能高，制备工艺简单，性能稳定，可设计性强等特点，通过改变材料的设计及制备方法，可以显著的提升材料的磁电性能。

Description

一种提升梯度材料磁电性质的方法

技术领域

本发明提供一种提升梯度材料磁电性质的方法，涉及电磁、物理、材料领域，尤其是磁滞伸缩/压电耦合机制的梯度材料及设计方法。

发明背景

磁电材料具有磁能与电能的转化功能及在外加磁场作用下产生介电极化或在外加电场作用下产生磁化。磁电耦合性质主要描述介质中电极化对外磁场的响应或者磁距对外电场的响应，包括铁电铁磁材料耦合效应，可以通过磁场控制电极化实现数据存储或通过电场控制磁性实现数据传输，这是电介质和磁性材料本身所不具备的性能。将磁电材料制备成功能梯度磁电器件可应用于磁场和电场传感、磁电信息存储、电流检测等技术领域，具有体积小、磁能与电能转换效率高、易于一体化设计等优点。因此开发具有高品质磁电性质的功能梯度材料及器件得到人们的重视。

1894年P.Curie预言磁电性质的存在，并于1958年由Landau实际观测到在某些晶体中存在磁电性质，且得到了实验的验证。将磁滞伸缩材料与压电材料合成的梯度材料由于乘积效应可以产生磁电效应。理论与实验证明，磁电梯度材料在常温中所获得的磁电性能比单相材料高1～2个数量级，其中将压电材料与磁滞伸缩材料通过梯度复合的方式结合在一起的梯度磁电材料，具有磁电性能高、设计简单、工艺可靠等特点。目前对铁电铁磁耦合效应的研究需要深入的探索，对磁电效应这一独特的现象，期望很高但研究工作面临挑战。目前一些磁电材料存在以下缺点：(1)材料磁电性能不明显；(2)材料的脆性很大；(3)材料表面需要涂覆电极；(4)材料加工性能差；(5)在原器件设计中需施加偏滞磁场，不利于器件小型化。

近些年在磁电性质方面研究的进展表明，磁电性质可以通过材料的设计得以实现，组成材料分别具有大的压电和压磁效应，通过有效的耦合使梯度材料产生高的磁电效应。目前，通过理论分析和实验测定的方法来提升梯度材料磁电性质，Ni/Mn/Ti/PZT梯度材料具有实际的应用前景，如用于传感器、致动器与换能器等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的磁电梯度材料存在的不足，提供一种提升梯度材料磁电性质的方法，其价格低廉、性质稳定、工艺简单。本发明采用的一种磁电梯度材料，目前在磁电性质研究中未见使用。这是一种镍基合金和PZT材料组成的一种梯度材料，利用该梯度材料中某些与温度有关的效应和尺寸设计获得高质量的磁电耦合性质。镍基合金为Ni/Mn/Ti三元合金，在低磁场下具有很大的磁场敏感性，磁滞伸缩系数随磁场的变化率越大，磁电转换效应越高，并且价格低廉，加工性能优异，可根据器件设计尺寸进行裁减，在低频下涡流损耗很小，压电材料是压电系数较大的PZT材料。将镍基合金与压电陶瓷复合得到梯度材料未见文献和专利报导。

本发明用的Ni/Mn/Ti和PZT形成的梯度材料磁电耦合效应系数在低磁场下可以达到的范围是120～930mV/mmOe，并且其大小可以通过温度效应和尺寸设计控制，在某些温度和尺寸范围，磁电耦合系数可以显著增加。

本发明中所用磁滞伸缩材料为Ni/Mn/Ti合金，三者比例分别为30％～70％、10％～20％、5％～10％，该材料在磁场中尽量沿磁场方向排列导致形变。镍基合金梯度材料是兼具磁性和磁滞伸缩效应等多种功能特性的新型功能材料，其磁滞效应所引起的形变可以产生较大的应力。该合金通过改变温度，同时伴随相应的应变，实现磁电耦合效应，该合金还可以通过改变组分，将相变温度调节至0～105℃，适合工程应用。本发明所选用的压电材料为PbZr₅₃Ti₄₇O₃属于PZT铁电陶瓷，经过极化处理之后，就具有了压电性质，极化方向沿z轴，长度伸缩方向为x轴。

本发明可以达到以下技术效果：(1)本发明所用的镍基合金，压电陶瓷，有机导电粘结剂等均已商品化，制备工艺简单；(2)获得在低磁场下(0～1.5kA/m)具有高磁电性能的材料，并且性能可调，随温度效应和尺寸设计，磁电梯度材料的磁电性能增大。

梯度材料样品采用有机导电粘结剂将Ni/Mn/Ti合金与PZT陶瓷沿二者长度方向粘合，压电陶瓷片厚度为1.5mm，镍基合金与压电陶瓷层的层厚比为2∶1。镍基合金在磁场中沿其长度方向的应变产生应力传递到PZT上，沿PZT长度方向的应力将在梯度材料两面产生电热差，通过仪器可以检测到，如图2所示。

附图说明

图1为本发明镍基合金/PZT陶瓷的结构示意图；

图2为本发明镍基合金/PZT陶瓷的实验测量图；

图3为本发明基合金/PZT陶瓷梯度材料的磁电转换系数dE/dH随频率的变化曲线；

图4为本发明在1500Hz频率下磁电耦合系数随温度的变化。

具体实施方式

1.如图1，2所示，我们所研究的对象为梯度材料，该梯度材料是由压电材料PZT和镍基合金所组成的，通过压电效应和磁滞伸缩效应产生乘积效应，实现磁力电耦合，从而提升材料的磁电耦合效应。

2.在PZT陶瓷梯度样品的上下表面采用银环氧粘结剂，放入高温炉在900℃下烧烤36分钟，沿厚度方向极化，与Ni/Mn/Ti合金粘结在一起，室温下固化，就得到了本发明所需的梯度材料样品。

3.磁电性质测量系统的特点为150Hz～1500Hz，直流偏磁场为0～1.2P，可以实现变温测量，将样品置于电磁铁中，调至室温，其长度方向与磁场方向一致。将数据采集卡输出端连接到信号放大器，将信号放大器输出端连接到线圈，打开电磁铁、数据采集开、信号放大器及电源，读取采集卡信号频率及信号放大器放大倍率，调节稳压电源，读取磁盘阵列显示的数值，并作记录。改变信号的频率，重复该若干次，根据样品厚度和偏磁场H，计算出磁电耦合系数，所制备的梯度材料样品磁电电压系数dE/dH随频率变化的测试曲线如图3所示。

4.如图4所示，Ni/Mn/Ti合金比例分别为30％～70％、10％～20％、5％～10％，使相变温度在0～105℃变化，这就证明了通过相变参与磁电耦合作用，实现了热力磁电的多场耦合。这项技术的意义在于能产生磁电效应并且在磁电效应中体现了温度效应和尺寸设计，从而为磁电效应的工程应用提供依据，特别是将磁电效应系数应用于温度相关的领域，具有参考价值。

Claims

1.一种提升梯度材料磁电性质的方法，其特征在于将镍基合金和压电陶瓷制成梯度材料，镍基合金为Ni/Mn/Ti三元合金，压电材料是PZT铁电陶瓷。利用镍基合金磁滞伸缩系数随磁场的变化率大的特性，将镍基合金与铁电陶瓷采用粘连的方法，复合得到镍基合金/铁电陶瓷梯度材料。

2.如权力要求书1所述的具有磁电性质的镍基合金/铁电陶瓷梯度材料，其特征是由Ni/Mn/Ti和PZT形成的功能梯度材料。

3.如权力要求书1所述具有磁电性质的镍基合金/铁电陶瓷梯度材料，其特征在于磁滞伸缩Ni/Mn/Ti合金，Ni/Mn/Ti三者比例分别为30％～70％、10％～20％、5％～10％。镍基合金与铁电陶瓷的层厚比为2∶1。增加镍基合金与铁电陶瓷的层厚比即可增加镍基合金/铁电陶瓷梯度材料的磁电性能。

4.如权力要求书1所述的镍基合金/铁电陶瓷梯度材料对温度参与磁力作用的对应关系，通过改变该类合金的组分和样品温度可以提高梯度材料磁电性能。