CN108963068A - 基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件及其制作方法。基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件中，两个永磁体均布并粘接固定在磁致伸缩筒体外圆周表面，形成磁性紧固件。压电柱壳复合件由6～10个横截面为弧形的压电条拼接而成，并且压电条的数量为偶数。拼接时，在相邻的压电条的拼接面上镀覆有厚度≤0.5mm的电极层。相邻的两个压电条的极化方向相反。相邻两个电极层的极化方向相反。本发明利用永磁体产生环形直流磁场，与外加交流磁场联合形成螺旋磁场，能够获得更强的磁电耦合效应，输出更高的磁电电压信号，并且能够过滤潜在的噪声源，进一步提高传感模式下的信噪比。还具有结构简单、小型化的特点。
Description
技术领域
本发明属于多铁性磁电复合材料与结构技术领域，涉及一种基于韦德曼效应的磁电耦合器件及其制作方法。
背景技术
多铁性磁电材料同时包含了铁电性、铁磁性和铁弹性三类特性，因而能够实现磁电效应，即材料在外磁场的作用下产生极化电场(正磁电效应)或者在外电场作用下诱发磁化(逆磁电效应)的现象。相比于单相磁电材料，磁电复合材料能够在室温下获得强磁电耦合效应，因此在实现磁电传感器、能量采集器、回转器及倍频器等多铁性磁电复合器件中具有广阔的应用前景。
常见磁电耦合器件的核心部件一般为由磁致伸缩材料和压电材料复合而成的层状磁电复合材料。在外磁场信号作用下，磁致伸缩材料内部由于磁致伸缩效应而产生机械应变，通过界面粘结层的机械耦合将应变传递到压电层中，最后由压电效应实现机电耦合而输出极化电场。由于磁-机-电耦合过程中存在组分材料参数和外界因素等的影响，目前的磁电耦合器件的性能受到一定的限制，仍然需要进一步优化。首先，磁电耦合系数与磁致伸缩材料的压磁系数成正相关，而大多数材料的压磁系数又强烈依赖于外加磁场。因此，只有在一定的直流偏置磁场下，才能获得较大的磁电耦合系数。通常利用电磁铁提供直流磁场，这种操作不仅会增加器件的体积，还会带来额外的信号干扰，不利于器件小型化和高灵敏度发展的需求。另外，基于d15剪切模式的压电效应具有比其他模式更高的压电系数，比如，PbZr0.5Ti0.5O3材料的d31压电系数为173pC/N，而d15压电系数却高达584pC/N。然而，由于在层状磁电复合材料的磁致伸缩相中很难获得剪切应变，并有效传递到压电相，现有磁电耦合器件一般基于d31纵向模式或d33横向模式的压电效应实现，而利用剪切压电效应的设计十分有限。再者，目前的磁电耦合器件多采用磁致伸缩/压电层合梁或层合板，这些结构对环境中的横向振动较敏感，在传感模式中容易受到外界噪声源的干扰。
经文献检索发现，中国专利公开号CN103105591A公布了一种零偏置磁传感器探头，该探头装置利用两种材质不同的磁致伸缩层在磁电复合材料内产生内部磁场，进而在零偏置磁场条件下实现磁电转换，提高了传感器的灵敏度并缩小了探头体积，具有一定的创新性和实用价值。然而，该磁场传感器探头基于磁电层合板结构实现，这种结构的磁致伸缩层中很难获得剪切应变，并有效传递到压电相。这一限制因素使得该装置中只能利用d31纵向模式的压电效应，而无法实现具有更高压电系数d15剪切模式。在相同变形条件下，压电材料的压电系数越高，输出的电信号越强。因此，该装置在提高磁电系数方面还有很大提升空间。另外，层状磁电复合材料对环境中的横向振动比较敏感，作为传感元件工作时容易受到外界噪声源的干扰，降低信噪比。
除此之外，中国专利公开号CN104347794A公布了一种基于剪切压电效应的扭振磁电耦合器件，利用压电材料的剪切压电效应，实现了自偏磁电转换效应。然而，该器件只采用单相压电结构作为核心部件，所采用的装配方式只能通过压电效应实现磁电转换。
超磁致伸缩材料在磁场作用下产生的磁致伸缩应变远大于压电材料的机械应变，因而能够实现更高的磁电耦合系数。
发明内容
为克服现有技术中存在的易受环境中的横向振动信号和噪声干扰的不足，本发明提出了一种基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件及其制作方法。
本发明提出的基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件包括磁致伸缩筒体、压电柱壳复合件和两个条形的永磁体。所述的两个永磁体均布在磁致伸缩筒体外圆周表面，并粘接固定，形成磁性紧固件。所述压电柱壳复合件由6～10个横截面为弧形的压电条拼接而成，并且所述压电条的数量为偶数。拼接时，在相邻的压电条的拼接面上镀覆有厚度≤0.5mm的电极层。所述相邻的两个压电条的极化方向相反。相邻两个电极层的极化方向相反。
所述的电极层为Cu或Au或Ag。
所述磁致伸缩筒体的横截面为圆形，由两个横截面为半环状的壳体组合而成。
所述两个条形的永磁体横截面的内表面为与所述磁致伸缩筒体外圆周表面贴合的弧形，并分别粘接在该磁致伸缩筒体的拼接缝上。
本发明提出的制作所述基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件的方具体过程如下：
步骤1，制作永磁体和磁致伸缩筒体。
制作永磁体：选用NdFeB合金粉末作为永磁体原材料，将所选合金粉末装入模具中，沿着模具的宽度方向施加1.0～1.5T的磁场取向，同时对模具施加4T的压力进行垂直模压；压力方向与所施加磁场方向垂直，得到永磁体坯料。将所得永磁体坯料在1000℃高温下烧结1.5h，制作成永磁体。
制作磁致伸缩筒体：选用稀土合金TbFe2或Terfenol-D或非晶磁性合金FeBSiC作为磁致伸缩原材料。采用固相合成法在1000～1200℃温度下得到磁致伸缩粉末。将得到的伸缩粉末在5～15MPa压强下压制成两个相同的半环状的磁致伸缩筒体坯体。将两个坯体置于高温电炉中烧结，当烧结温度达到500℃后保持1.5h；沿着各所述坯体轴向施加1.0～1.5T的磁场进行取向，得到两个磁致伸缩半环。
将两个所述磁致伸缩半环通过环氧树脂胶拼接成圆形的磁致伸缩筒体；两个条形的永磁体分别粘接在该磁致伸缩筒体的外圆周表面，并使各永磁体宽度方向的中心线与两个磁致伸缩半环的拼接缝重合，形成磁性紧固件。拼接时两个永磁体的磁极相反。拼接后，磁性紧固件置于室温下固化2～8h。得到磁致伸缩筒体。
步骤2，制作压电条
以PbZr0.5Ti0.5O3或PZT-5A或PMN-PT为原材料，采用压电陶瓷制作工艺制作成压电陶瓷管。在100℃温度下沿着该压电陶瓷管的轴向施加1.5kV的电场极化10～20min。将经过极化的压电陶瓷管沿轴向均匀剖分后，得到6～10个横截面为弧形的压电条4；所述压电条的数量为偶数。
步骤3，组装压电柱壳复合件。
将得到的6～10个压电条拼装成压电柱壳复合件。拼装时须使相邻的两个压电条的极化方向相反。以Cu浆或Au浆或Ag浆作为电极层原料，将所述Cu浆或Au浆或Ag浆涂覆在压电条的任一长边的侧表面上。将涂覆有电极层原料的压电条置于保温箱内固化；固化温度为550℃～1200℃，固化时间为30～15min。固化结束后，在炉中自然冷却，分别在压电条的侧表面形成电极层。将导电环氧树脂胶涂覆在该压电条的另一长边的侧表面上，胶层厚度≤0.5mm。将各相邻压电条之间侧表面粘接起来，组成压圆筒形的压电柱壳复合件。
步骤4，制作扭振磁电耦合器件。
压电柱壳复合件的高度比所述磁致伸缩筒体的高度大2mm，以保证装配时该压电柱壳复合件的一端与磁致伸缩筒体齐平，另一端裸露在外面便于连接导线。
将得到的压电柱壳复合件装入得到的磁致伸缩筒体内，并使压电柱壳复合件的外圆周表面与所述磁致伸缩筒体的内圆周表面之间有1mm的间隙。向所述间隙中浇注环氧树脂结构胶，并在500℃真空烘箱中固化8h，以保证良好界面耦合效应；得到扭振磁电耦合器件。
所述永磁体坯料的高度与磁致伸缩筒体的高度相等。
所述压电条制成的压电柱壳复合件的体积与磁致伸缩筒体的体积比值为45～55％；所述百分比为体积比。
针对现有技术中存在的问题，本发明利用永磁体产生环形直流磁场，与外加交流磁场联合形成螺旋磁场，在此磁场作用下磁致伸缩材料产生韦德曼效应，因而可在磁致伸缩筒体中获得剪切应变，并通过粘结层的机械耦合作用有效传递到压电材料中，使压电柱壳复合件实现扭转，从而在具有较高机电耦合系数的剪切压电模式下进行工作，输出更高的极化电压。
本发明提出的磁电耦合器件由磁致伸缩筒体、条形永磁体和压电柱壳复合件构成。其中，两段磁致伸缩筒体在连接处镶嵌两段条形永磁体，紧固在一起。压电柱壳复合件由镀有金属电极材料的弧形界面的压电条拼装而成，拼装时相邻两个压电条之间的极性相反。压电柱壳复合件与由磁致伸缩筒体和永磁体构成的紧固件在间隙处通过浇注环氧树脂结构胶固定，最终组成磁电复合结构。
现有技术未能在磁电复合材料中实现扭转剪切效应，是因为该领域的技术人员一般利用磁致伸缩材料的焦耳效应，这一效应主要使磁致伸缩材料产生拉伸、压缩或者弯曲变形。而对于磁致伸缩材料的考虑另一特性(即韦德曼效应)未能充分考虑，因为在实际应用中很难在磁致伸缩材料中形成螺旋驱动磁场。本发明成功地在磁电复合结构中实现d15剪切模式下的磁电耦合效应，原理是：两段紧固于磁致伸缩筒体上永磁体沿着相切于环向的方向磁化，可在磁致伸缩筒体内部产生环形静磁场。如图3所示，在外加轴向交流磁场作用下，能够形成交直流螺旋磁场。此时，磁致伸缩材料由于内部磁畴发生旋转而实现韦德曼效应，其内部由于扭转变形产生剪切应变。利用界面处的机械耦合可以将剪切应变传递到压电层以获得剪切压电效应，最终输出较高的磁电电压信号。
本发明提出的一种基于韦德曼效应的磁电耦合器件具有以下优点：
1.本发明提出的扭振磁电耦合器件，两个条形永磁体能够在磁致伸缩材料内部形成环形直流磁场，在外界交流信号作用下，磁致伸缩材料种将由于韦德曼效应而产生剪切应变，从而驱动压电材料实现剪切压电效应，获得更强的磁电耦合效应，输出更高的磁电电压信号。
2.本发明提出的扭振磁电耦合器件，由永磁体直接产生直流磁场，无需额外使用电磁铁装置提供直流偏磁场。相比传统的器件，可以缩减器件尺寸，简化装置，实现小型化设计。与此同时，该器件由于并未使用电磁铁可有效避免直流信号干扰，进一步提高传感模式下的信噪比。
3.本发明提出的扭振磁电耦合器件基于柱壳结构实现，相比层合板结构，该结构对环境中的横向振动不太敏感，因而能够过滤潜在的噪声源。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的轴向剖视图；
图4是磁致伸缩筒体中形成螺旋磁场的原理图；
图5是磁电耦合器件中压电柱壳复合件的结构示意图。
图中：
1.磁致伸缩筒体；2.条形永磁体；3.压电柱壳复合件；4.压电条；5.电极层。
具体实施方式
本发明提出了一种基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件及其制作方法，将通过三个实施例详细说明本发明的技术方案。所述各实施例的制作过程相同。
本发明提出的扭振磁电耦合器件包括磁致伸缩筒体1、压电柱壳复合件3和两个条形的永磁体2。所述的两个永磁体2均布在磁致伸缩筒体1外圆周表面，并粘接固定，形成磁性紧固件。
压电柱壳复合件3由6～10个横截面为弧形的压电条4拼接而成，并且所述压电条的数量为偶数。拼接时，在相邻的两个压电条4的拼接面上镀覆有电极层5；所述的电极层为Cu或Au或Ag，其厚度≤0.5mm。所述相邻的两个压电条的极化方向相反。相邻两个电极层5的极化方向相反。
所述磁致伸缩筒体1的横截面为圆形，由两个横截面为半环状的壳体组合而成。
所述两个条形的永磁体2横截面的内表面为与所述磁致伸缩筒体1外圆周表面贴合的弧形，并分别粘接在该磁致伸缩筒体的拼接缝上。
各实施例不同的结构特征：
| 实施例 | 1 | 2 | 3 |
| 压电条数量 | 8 | 10 | 6 |
| 电极层 | Cu | Au | Ag |
本发明提出的制作所述基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件的具体过程如下：
步骤1，制作永磁体和磁致伸缩筒体。
制作永磁体2：选用NdFeB合金粉末作为永磁体原材料，将所选合金粉末装入模具中，沿着模具的宽度方向施加1.0～1.5T的磁场取向。同时，对模具施加4T的压力进行垂直模压；压力方向与所施加磁场方向垂直，得到长条形坯料。本实施例中，该坯料的长度和宽度分别为4mm和2mm，高度与磁致伸缩筒体1的高度相等。将所得坯料在1000℃温度下烧结1.5h，制作成永磁体。
制作磁致伸缩筒体1：为获得1000ppm以上磁致伸缩应变，选用稀土合金TbFe2或Terfenol-D或非晶磁性合金FeBSiC作为磁致伸缩原材料。本实施例中，采用Terfenol-D作为磁致伸缩原材料。采用传统的固相合成法在1000～1200℃温度下得到磁致伸缩粉末。将得到的伸缩粉末在5～15MPa压强下压制成两个相同的半环状的磁致伸缩筒体坯体，本实施例中，所述坯体的内半径和外半径分别为6mm和8mm，高度为30mm。将两个坯体置于高温电炉中烧结，当烧结温度达到500℃后保持1.5h；沿着各所述坯体轴向施加1.0～1.5T的磁场进行取向，得到两个磁致伸缩半环。
将两个所述磁致伸缩半环通过环氧树脂胶拼接成圆形的磁致伸缩筒体；两个条形的永磁体2分别粘接在该磁致伸缩筒体的外圆周表面，并使各永磁体宽度方向的中心线与两个磁致伸缩半环的拼接缝重合，形成磁性紧固件。拼接时两个永磁体2需满足磁极相反，以确保在磁致伸缩柱壳形成环向的直流磁场。拼接后，磁性紧固件置于室温下固化，固化时间为2～8h。得到磁致伸缩筒体。
步骤2，制作压电条
以PbZr0.5Ti0.5O3或PZT-5A或PMN-PT为原材料，采用传统压电陶瓷制作工艺制作成压电陶瓷管。该压电陶瓷管的内径和外径分别为2mm和5mm，高度为33mm。在100℃温度下沿着该压电陶瓷管的轴向施加1.5kV的电场极化10～20min。通过切割将经过极化的压电陶瓷管沿轴向均匀剖分后，得到6～10个横截面为弧形的压电条4；所述压电条的数量为偶数。
步骤3，组装压电柱壳复合件。
将得到的6～10个压电条4拼装成压电柱壳复合件3。拼装时须使相邻的两个压电条4的极化方向相反。以Cu浆或Au浆或Ag浆作为电极层原料，将所述Cu浆或Au浆或Ag浆涂覆在压电条的任一长边的侧表面上。将涂覆有电极层原料的压电条置于保温箱内固化；固化温度为550℃～1200℃，固化时间为30～15min。固化结束后，在炉中自然冷却，形成6～10个电极层5。将导电环氧树脂胶涂覆在该压电条的另一长边的侧表面上，胶层厚度≤0.5mm。将各相邻压电条4之间侧表面粘接起来，组成压圆筒形的压电柱壳复合件3。
步骤4，制作扭振磁电耦合器件。
压电柱壳复合件3的高度比所述磁致伸缩筒体的高度大2mm，以保证装配时该压电柱壳复合件3的一端与磁致伸缩筒体1齐平，另一端裸露在外面，便于连接导线。
将得到的压电柱壳复合件3装入步骤4得到的磁致伸缩筒体1内，并使压电柱壳复合件3的外圆周表面与所述磁致伸缩筒体的内圆周表面之间≤1mm的间隙。向所述间隙中浇注环氧树脂结构胶，并在500℃真空烘箱中固化8h，以保证良好界面耦合效应；得到扭振磁电耦合器件。
所述扭振磁电耦合器件中，磁致伸缩筒体采用Terfenol-D制成，压电条采用PZT-5A制成；所述压电条制成的压电柱壳复合件3的体积与磁致伸缩筒体的体积比值为45～55％；所述百分比为体积比。
各实施例的工艺参数：
本发明利用永磁体2在磁致伸缩筒体1内部形成环向的直流磁场，在磁致伸缩筒体外圆周布置由通电螺线管产生的轴向交流磁场。该轴向交流磁场和环向的直流磁场相互作用下会形成螺旋磁场，在磁致伸缩筒体1由于受到螺旋磁场作用而实现韦德曼效应，从而产生剪切应变并通过界面耦合效应传递到压电柱壳复合件3中。压电柱壳复合件3中在剪切应变作用下实现剪切模式压电效应，进而输出更强的磁电电压信号。本发明提出的基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件在实现自偏磁电传感器、能量收集器及换能器等新型智能器件方面具有广阔应用前景。
Claims (7)
1.一种基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件，其特征在于，包括磁致伸缩筒体、压电柱壳复合件和两个条形的永磁体；所述的两个永磁体均布在磁致伸缩筒体外圆周表面，并粘接固定，形成磁性紧固件；所述压电柱壳复合件由6～10个横截面为弧形的压电条拼接而成，并且所述压电条的数量为偶数；拼接时，在相邻的压电条的拼接面上镀覆有厚度≤0.5mm的电极层；所述相邻的两个压电条的极化方向相反；相邻两个电极层的极化方向相反。
2.如权利要求1所述基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件，其特征在于，所述的电极层为Cu或Au或Ag。
3.如权利要求1所述基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件，其特征在于，所述磁致伸缩筒体的横截面为圆形，由两个横截面为半环状的壳体组合而成。
4.如权利要求1所述基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件，其特征在于，所述两个条形的永磁体横截面的内表面为与所述磁致伸缩筒体外圆周表面贴合的弧形，并分别粘接在该磁致伸缩筒体的拼接缝上。
5.一种制作权利要求1所述基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件的方法，其特征在于，具体过程如下：
步骤1，制作永磁体和磁致伸缩筒体；
制作永磁体：选用NdFeB合金粉末作为永磁体原材料，将所选合金粉末装入模具中，沿着模具的宽度方向施加1.0～1.5T的磁场取向，同时对模具施加4T的压力进行垂直模压；压力方向与所施加磁场方向垂直，得到永磁体坯料；将所得永磁体坯料在1000℃高温下烧结1.5h，制作成永磁体；
制作磁致伸缩筒体：选用稀土合金TbFe2或Terfenol-D或非晶磁性合金FeBSiC作为磁致伸缩原材料；采用固相合成法在1000～1200℃温度下得到磁致伸缩粉末；将得到的伸缩粉末在5～15MPa压强下压制成两个相同的半环状的磁致伸缩筒体坯体；将两个坯体置于高温电炉中烧结，当烧结温度达到500℃后保持1.5h；沿着各所述坯体轴向施加1.0～1.5T的磁场进行取向，得到两个磁致伸缩半环；
将两个所述磁致伸缩半环通过环氧树脂胶拼接成圆形的磁致伸缩筒体；两个条形的永磁体分别粘接在该磁致伸缩筒体的外圆周表面，并使各永磁体宽度方向的中心线与两个磁致伸缩半环的拼接缝重合，形成磁性紧固件；拼接时两个永磁体的磁极相反；拼接后，磁性紧固件置于室温下固化2～8h；得到磁致伸缩筒体；
步骤2，制作压电条
以PbZr0.5Ti0.5O3或PZT-5A或PMN-PT为原材料，采用压电陶瓷制作工艺制作成压电陶瓷管；在100℃温度下沿着该压电陶瓷管的轴向施加1.5kV的电场极化10～20min；将经过极化的压电陶瓷管沿轴向均匀剖分后，得到6～10个横截面为弧形的压电条4；所述压电条的数量为偶数；
步骤3，组装压电柱壳复合件；
将得到的6～10个压电条拼装成压电柱壳复合件；拼装时须使相邻的两个压电条的极化方向相反；以Cu浆或Au浆或Ag浆作为电极层原料，将所述Cu浆或Au浆或Ag浆涂覆在压电条的任一长边的侧表面上；将涂覆有电极层原料的压电条置于保温箱内固化；固化温度为550℃～1200℃，固化时间为30～15min；固化结束后，在炉中自然冷却，分别在压电条的侧表面形成电极层；将导电环氧树脂胶涂覆在该压电条的另一长边的侧表面上，胶层厚度≤0.5mm；将各相邻压电条之间侧表面粘接起来，组成压圆筒形的压电柱壳复合件；
步骤4，制作扭振磁电耦合器件；
压电柱壳复合件的高度比所述磁致伸缩筒体的高度大2mm，以保证装配时该压电柱壳复合件的一端与磁致伸缩筒体齐平，另一端裸露在外面便于连接导线；
将得到的压电柱壳复合件装入得到的磁致伸缩筒体内，并使压电柱壳复合件的外圆周表面与所述磁致伸缩筒体的内圆周表面之间有1mm的间隙；向所述间隙中浇注环氧树脂结构胶，并在500℃真空烘箱中固化8h，以保证良好界面耦合效应；得到扭振磁电耦合器件。
6.如权利要求5所述基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件的方法，其特征在于，所述永磁体坯料的高度与磁致伸缩筒体的高度相等。
7.如权利要求5所述基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件的方法，其特征在于，所述压电条制成的压电柱壳复合件的体积与磁致伸缩筒体的体积比值为45～55％；所述百分比为体积比。
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