CN107482112A - 一种永磁‑压电型磁电复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种永磁‑压电型磁电复合材料，属于多铁性磁电材料技术领域。该磁电复合材料包括压电材料(1)和永磁材料；压电材料(1)为已极化的片状或条状结构，其相对表面分别附有金属电极(2)，构成电极面；至少一个永磁材料固接在压电材料1的电极面上。本发明提出的永磁‑压电型磁电复合材料为磁场传感器、电流传感器、能量转换采集器件的小型化、集成化、大批量生产提供了新的选择，应用前景十分广阔。

Description

一种永磁-压电型磁电复合材料
技术领域
本发明涉及一种永磁-压电型磁电复合材料，属于多铁性磁电材料技术领域。
背景技术
磁电效应是指材料在外加磁场中电极化强度发生改变，或在外加电场中磁化强度发生改变的现象。单相磁电材料的磁电转化系数都较低，并且只有在较低温度下才能被观察到，且制备条件苛刻，大大制约了单相磁电材料的应用。而磁电复合材料在室温下即表现较高的磁电转换系数，且具有较高的设计灵活性，因而成为了本领域的研究热点。
传统磁电复合材料由铁电性材料与铁磁性材料通过各种方式复合而成。磁电复合材料的磁电效应是铁电性与铁磁性耦合而产生的乘积效应，可描述为：当磁电复合材料处于外加磁场中，其中的磁致伸缩相发生形变，通过与压电相的接触界面将应力作用于压电相上，压电相产生束缚电荷，对外表现为压电电压，即磁致电效应。相应的，磁电复合材料处于外加电场中时，由于逆压电效应压电材料发生形变，产生的应力作用于磁致伸缩相上，使其磁化状态发生改变，实现电能到磁能的转换。
通过前人的努力研究，磁电复合材料的性能不断得到提高，但该类材料还存在一些缺点。例如，传统磁电复合材料通过界面将磁致伸缩形变传递给压电材料从而产生磁电性能，无论是粘结界面还是电镀、化学镀界面均存在界面老化失效的问题。为提升磁电复合材料的性能选用具有巨磁致伸缩性能的Terfenol-D作为压磁材料大大提升了材料成本，并且需要在一定的直流偏置磁场下工作，加大了器件的复杂程度。中国发明专利申请CN104949694A和CN104347794A等提出了压电材料与永磁材料组成的磁电复合材料，利用外部磁场对永磁体的磁扭力获得压电输出，解决了部分问题，但外部磁场强度对磁扭力有至关重要的影响，因此检测弱磁场的能力有限。此外，磁电复合材料需要工作在较宽频率的范围内，涡流损耗难以避免，这也是磁电复合材料所面临的问题之一。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种永磁-压电型磁电复合材料，该材料无需附加直流偏置磁场即可产生巨磁电效应，它利用了磁电复合材料应用过程中难以避免的涡流效应，提高了材料的能量转换效率。该复合材料性能稳定、结构简单、制造成本低，并且降低了对界面传递应力的依赖，避免了界面老化失效问题。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供一种永磁-压电型磁电复合材料，该磁电复合材料包括压电材料1和永磁材料；
压电材料1为已极化的片状或条状结构，其两个相对表面分别附有金属电极2，构成电极面；
至少一个永磁材料固接在压电材料1的电极面上。
永磁材料通过粘接方式或机械连接方式与压电材料1的电极面固接。
所述永磁材料的充磁方向M位于压电材料1的电极面的法向与长度方向确定的平面内。
所述永磁材料固接在压电材料1端部的电极面上。
多个永磁材料阵列分布在压电材料1上表面的电极面上和/或下表面的电极面上。
两个永磁材料在压电材料1端部的上表面的电极面上和/或下表面的电极面上成左右对称分布，或上下对称分布，或中心对称分布。
四个永磁材料分别固接在压电材料1上表面的电极面上的左右两端和下表面的电极面上的左右两端。
所述压电材料1选自压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物中的一种或几种。
所述永磁材料选自钕铁硼磁体、钐钴永磁体、铝镍钴磁体、铁氧体永磁材料中的一种或几种。
工作状态时，压电材料1的电极面在垂直于电极平面方向上的交变磁场Hac作用下产生涡电流，该涡电流又会形成二次磁场，压电材料1在涡电流磁场与永磁材料相互磁力作用下产生变形，在上下两电极面之间产生压电电压V0。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提出的永磁-压电型磁电复合材料为磁场传感器、电流传感器、能量转换采集器件的小型化、集成化、大批量生产提供了新的选择，应用前景十分广阔。
附图说明
图1为本发明永磁-压电型磁电复合材料的结构示意图；
图2为本发明实施例1永磁-压电型磁电复合材料的结构示意图及其磁电转换系数αE,33与交变磁场频率f的变化关系；
图3为本发明实施例2永磁-压电型磁电复合材料的结构示意图及其磁电转换系数αE,33与交变磁场频率f的变化关系；
图4为本发明实施例3永磁-压电型磁电复合材料的结构示意图及其磁电转换系数αE,33与交变磁场频率f的变化关系；
图5是本发明实施例4永磁-压电型磁电复合材料的结构示意图。
图6是本发明实施例5永磁-压电型磁电复合材料的结构示意图。
图7是本发明实施例6永磁-压电型磁电复合材料的结构示意图。
图8是本发明实施例7永磁-压电型磁电复合材料的结构示意图。
其中的附图标记为：
1 压电材料
2 金属电极
3 第一永磁材料
4 第二永磁材料
5 第三永磁材料
6 第四永磁材料
M 永磁材料的充磁方向
Hac 交变磁场
V0 上下两电极面之间产生的压电电压
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步说明。
一种永磁-压电型磁电复合材料，包括压电材料1和永磁材料；
压电材料1为已极化的片状或条状结构，其两个相对表面分别附有金属电极2，构成电极面
至少一个永磁材料通过粘接方式或机械连接方式固接在压电材料1的电极面上。
永磁材料的充磁方向M位于压电材料1电极面的法向与长度方向确定的平面内，进而保证涡电流磁场与永磁材料之间产生的磁力仅使得压电材料发生弯曲和伸缩变形，避免其发生扭转变形，产生干扰谐振峰。
优选地，所述永磁材料固接在压电材料1端部的电极面上。
优选地，多个永磁材料阵列分布在压电材料1上表面的电极面上和/或下表面的电极面上。
优选地，两个永磁材料在压电材料1端部的上表面的电极面上和/或下表面的电极面上成左右对称分布，或上下对称分布，或中心对称分布。
优选地，四个永磁材料分别固接在压电材料1上表面的电极面上的左右两端和下表面的电极面上的左右两端。如图1所示，在压电材料1上表面的电极面上的左右两端分别固接第一永磁材料3和第二永磁材料4；在下表面的电极面上的左右两端分别固接第三永磁材料5和第四永磁材料6。
所述压电材料1为压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物中的一种或几种。
所述永磁材料选自钕铁硼磁体、钐钴永磁体、铝镍钴磁体、铁氧体永磁材料中的一种或几种。
工作状态时，压电材料1的电极面在垂直于电极平面方向上的交变磁场Hac作用下产生涡电流，该涡电流又会形成二次磁场，压电材料在涡电流磁场与永磁材料相互磁力作用下产生变形，在上下两电极面之间产生压电电压V0。
根据永磁材料的数量及其与压电材料1的相对大小、位置关系，该永磁-压电型磁电复合材料可工作在弯曲振动模式、长度振动模式及扭转振动模式，其工作谐振频率可通过两类材料的尺寸及性能进行调节。
实施例1
本实施例中的永磁-压电型磁电复合材料结构如图2所示，包括沿厚度方向极化的压电材料1，材质为压电陶瓷，尺寸为：长25mm，宽10mm，厚度t＝1.6mm，银金属电极2，以及第一永磁材料3，牌号为N42的钕铁硼磁体，尺寸为：长10mm，宽10mm，厚5mm。沿厚度方向充磁，将第一永磁材料3粘接在压电材料1端部的电极面上，并且使充磁方向M平行于银金属电极2平面。
工作状态时，压电材料1的电极面在垂直于电极平面方向上的交变磁场Hac作用下产生涡电流，该涡电流形成二次磁场，压电材料在涡电流磁场与永磁材料相互磁力作用下发生长度伸缩，在两电极面之间产生压电电压V0。经过计算获得磁电转换系数αE,33＝dV/(t·dH)与交变磁场频率f的变化关系，材料在谐振频率47.3kHz时的电转换系数为1.98V/cm Oe。
实施例2
本实施例中的永磁-压电型磁电复合材料结构如图3所示，包括沿厚度方向极化的压电材料1，材质为压电单晶，尺寸为：长23mm，宽8mm，厚度t＝1mm，铝金属电极2，以及第一永磁材料3和第二永磁材料4，牌号为N48的钕铁硼磁体，尺寸为：长10mm，宽10mm，厚4mm。沿厚度方向充磁，将第一永磁材料3粘接在压电材料1左端部的上表面的电极面上，并且使充磁方向M平行于银金属电极2平面向右，将第二永磁材料4粘接在压电材料1右端部的上表面的电极面上，并且使充磁方向M平行于银金属电极2平面向左。第一永磁材料3与第二永磁材料4左右对称分布。
工作状态时，压电材料1的电极面在垂直于电极平面方向上的交变磁场Hac作用下产生涡电流，该涡电流形成二次磁场，压电材料1在涡电流磁场与两永磁材料相互磁力作用下发生振动，经过计算获得磁电转换系数αE,33，材料在谐振频率1.2kHz时发生弯曲谐振，电转换系数为0.88V/cm Oe，38.9kHz时发生长度伸缩谐振，电转换系数为5.24V/cm Oe。
实施例3
本实施例中的永磁-压电型磁电复合材料结构如图4所示，包括沿厚度方向极化的压电材料1，材质为压电聚合物，尺寸为：长27mm，宽10mm，厚度t＝1.2mm，银金属电极2，以及第一永磁材料3，钐钴永磁体和第二永磁材料4，铝镍钴永磁体，尺寸为：长10mm，宽10mm，厚4mm。将第一永磁材料3粘接在压电材料1左端部的上表面的电极面上，并且使充磁方向M平行于银金属电极2平面向右，将永磁材料4粘接在压电陶瓷1右端部的下表面的电极面上，并且使充磁方向M与银金属电极2平面成30°指向左上方。第一永磁材料3与第二永磁材料4中心对称分布。
工作状态时，压电材料1的电极面在垂直于电极平面方向上的交变磁场Hac作用下产生涡电流，该涡电流形成二次磁场，压电材料1在涡电流磁场与两永磁材料相互磁力作用下发生振动，经过计算获得磁电转换系数αE,33，材料在谐振频率2.9kHz时发生弯曲谐振，电转换系数为0.95V/cm Oe。
实施例4
本实施例中的永磁-压电型磁电复合材料结构如图5所示，包括沿厚度方向极化的压电材料1，为压电陶瓷与压电聚合物的双层复合结构，尺寸为：长26mm，宽8mm，厚度t＝1.6mm，银金属电极2，以及第一永磁材料3，钕铁硼永磁体和第二永磁材料4，铁氧体永磁材料，尺寸为：长8mm，宽8mm，厚4mm。将第一永磁材料3粘接在压电材料1左端部的上表面的电极面上，并且使充磁方向M平行于银金属电极平面2向右，将第二永磁材料4粘接在在压电材料1左端部的下表面的电极面上，并且使充磁方向M平行于银金属电极平面2向左。第一永磁材料3与第二永磁材料4上下对称分布。
工作状态时，压电材料电极面2在垂直于电极平面方向上的交变磁场Hac作用下产生涡电流，该涡电流形成二次磁场，压电材料在涡电流磁场与两永磁材料相互磁力作用下发生振动，经过计算获得磁电转换系数αE，33，材料在谐振频率44.6kHz时发生伸缩谐振，电转换系数为3.82V/cm Oe。
实施例5
本实施例中的永磁-压电型磁电复合材料结构如图6所示，包括沿厚度方向极化的压电材料1，材质为压电陶瓷，尺寸为：长22mm，宽7mm，厚度t＝1.3mm，银金属电极2，以及第一永磁材料3，牌号为N42的钕铁硼磁体，尺寸为：长7mm，宽7mm，厚4mm。沿厚度方向充磁，将第一永磁材料3粘接在压电材料1中部的电极面上，并且使充磁方向M平行于银金属电极2平面。
工作状态时，压电材料1的电极面在垂直于电极平面方向上的交变磁场Hac作用下产生两个区域涡电流，该涡电流形成二次磁场，压电材料在涡电流磁场与永磁材料相互磁力作用下发生振动，在两电极面之间产生压电电压V0。经过计算获得磁电转换系数αE,33＝dV/(t·dH)与交变磁场频率f的变化关系，材料在谐振频率4.1kHz时的电转换系数为1.35V/cm Oe。
实施例6
本实施例中的永磁-压电型磁电复合材料结构如图7所示，包括沿厚度方向极化的压电材料1，材质为压电单晶，尺寸为：长28mm，宽8mm，厚度t＝1.0mm，银金属电极2，以及第一永磁材料3，钕铁硼永磁体，第二永磁材料4，钕铁硼永磁体和第三永磁材料5，铁氧体永磁材料尺寸为：长8mm，宽8mm，厚5mm。将第一永磁材料3粘接在压电材料1左端部的上表面的电极面上，并且使充磁方向M平行于银金属电极平面2向右，将第二永磁材料4粘接在在压电材料1左端部的下表面的电极面上，并且使充磁方向M平行于银金属电极平面2向左。第一永磁材料3与第二永磁材料4上下对称分布。将第三永磁材料5粘接在压电材料1右端部的上表面的电极面上，并且使充磁方向M平行于银金属电极2平面向左。第一永磁材料3与第三永磁材料5左右对称分布。
工作状态时，压电材料电极面2在垂直于电极平面方向上的交变磁场Hac作用下产生涡电流，该涡电流形成二次磁场，压电材料在涡电流磁场与两永磁材料相互磁力作用下发生振动，经过计算获得磁电转换系数αE，33，材料在谐振频率3.1kHz时发生弯曲谐振，电转换系数为0.96V/cm Oe，39.2kHz时发生长度伸缩谐振，电转换系数为4.17V/cm Oe。
实施例7
本实施例中的永磁-压电型磁电复合材料结构如图8所示，包括沿厚度方向极化的压电材料1，材质为压电陶瓷，尺寸为：长30mm，宽6mm，厚度t＝1.0mm，银金属电极2，以及第一永磁材料3，钕铁硼永磁体，第二永磁材料4，钕铁硼永磁体，第三永磁材料5，铁氧体永磁材料，第四永磁材料6，钐钴永磁材料尺寸为：长6mm，宽6mm，厚3mm。将第一永磁材料3、第二永磁材料4、第三永磁材料5和第四永磁材料6依次粘接在压电材料1的上表面的电极面上，并且使充磁方向M平行于银金属电极平面2左右交替排列。改变永磁材料的数量及相互距离可以调整谐振峰的位置及大小，本实施例采用等间距排布。
工作状态时，压电材料电极面2在垂直于电极平面方向上的交变磁场Hac作用下产生三个区域涡电流，该涡电流形成二次磁场，压电材料在涡电流磁场与永磁材料相互磁力作用下发生振动，经过计算获得磁电转换系数αE，33，材料分别在2.9kHz、11.3kHz、24.5kHz及50.6kHz时发生谐振，电转换系数分别为0.67V/cm Oe、4.49V/cm Oe、1.82V/cm Oe及4.18V/cm Oe。

Claims (10)

1.一种永磁-压电型磁电复合材料，其特征在于：该磁电复合材料包括压电材料(1)和永磁材料；
压电材料(1)为已极化的片状或条状结构，其两个相对表面分别附有金属电极(2)，构成电极面；
至少一个永磁材料固接在压电材料(1)的电极面上。
2.根据权利要求1所述的永磁-压电型磁电复合材料，其特征在于：永磁材料通过粘接方式或机械连接方式与压电材料(1)的电极面固接。
3.根据权利要求1所述的永磁-压电型磁电复合材料，其特征在于：所述永磁材料的充磁方向(M)位于压电材料(1)的电极面的法向与长度方向确定的平面内。
4.根据权利要求1所述的永磁-压电型磁电复合材料，其特征在于：所述永磁材料固接在压电材料(1)端部的电极面上。
5.根据权利要求1所述的永磁-压电型磁电复合材料，其特征在于：多个永磁材料阵列分布在压电材料(1)上表面的电极面上和/或下表面的电极面上。
6.根据权利要求1所述的永磁-压电型磁电复合材料，其特征在于：两个永磁材料在压电材料(1)端部的上表面的电极面上和/或下表面的电极面上成左右对称分布，或上下对称分布，或中心对称分布。
7.根据权利要求1所述的永磁-压电型磁电复合材料，其特征在于：四个永磁材料分别固接在压电材料(1)上表面的电极面上的左右两端和下表面的电极面上的左右两端。
8.根据权利要求1-7之一所述的永磁-压电型磁电复合材料，其特征在于：所述压电材料(1)选自压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物中的一种或几种。
9.根据权利要求1-7之一所述的永磁-压电型磁电复合材料，其特征在于：所述永磁材料选自钕铁硼磁体、钐钴永磁体、铝镍钴磁体、铁氧体永磁材料中的一种或几种。
10.根据权利要求1-7之一所述的永磁-压电型磁电复合材料，其特征在于：
工作状态时，压电材料(1)的电极面在垂直于电极平面方向上的交变磁场Hac作用下产生涡电流，该涡电流又会形成二次磁场，压电材料1在涡电流磁场与永磁材料相互磁力作用下产生变形，在上下两电极面之间产生压电电压V0。
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