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信息功能材料之新型磁电复合材料

发布时间:2009-08-27

  智能材料是当前的一个重要的研究方向。力、热、电、磁、声、光等之间的耦合效应(例如压电、压磁、声光、电光、热释电等)一直是材料领域研究的热点之一,新型复合磁电材料是一种非常重要的智能材料和信息功能材料,能够实现磁和电之间的转化,可以广泛的用于磁电传感器(磁场、电场探测等)、磁电换能器、记忆存储器、变压器等,在军事、医用、商用和民用等领域有着非常引人瞩目的应用前景,如海军水底与空军空中目标的磁探测与定位、导弹的磁电制导和自动控制等,医疗上脑磁的精确测定、成像与病灶定位及生物体中的弱磁场分析等,高压输电线路的电流测量,微型的无线发电机,手机中的地磁传感器和定位系统,各出入关口对人脑磁场的检测与对恐怖分子的认定等。

  70年代荷兰Philips实验室利用铁电体的压电效应与铁磁体的磁致伸缩效应间的复合效应,把铁磁相CoFe2O4与铁电相BaTiO3混在一起共熔原位制得了第一块铁电-铁磁复合材料(磁电转换系数dE/dH值达163mV/cm.Oe)。它的居里温度远远大于室温。但是,对于这种0-3复合磁电材料而言,由于两相(铁电相和铁磁相)在烧结的过程中容易发生固相反应以及两相的含量难以控制(铁磁相组分太多时,铁磁相颗粒接触的地方电导通,难于极化;铁磁相组分太少时,磁致伸缩效应不明显),因此,磁电响应还是达不到实际器件应用的要求。

  2001年,Ryu等报道了Tb0.27-0.30Dy0.73-0.70Fe1.90-1.95(Terfenol-D)和PZT陶瓷的三明治结构,其磁电系数达到10300 mV/cm.Oe,远远高于所有的已知的单相或者0-3复合磁电材料,而且居里温度远远大于室温,是所有磁电材料中最有希翼得到实际应用的磁电材料,因此已经成为近两年来的研究热点,美国军方更是投入了巨资来研究这种新型高性能磁电复合材料及器件。这种复合方式,采用磁致伸缩相和压电相的复合达到产生磁电效应的目的:当外加交变磁场时,由于磁致伸缩效应,磁致伸缩相会产生一个应变(应力),这个应力传递给压电相,由于压电效应,就会在压电层的两端诱导出电荷,从而实现磁电效应。要实现有效的磁电转换,必须符合以下两个基本条件:一是磁致伸缩层具有优异的磁致伸缩性能,压电层具有优异的压电性能和机电耦合系数,二是层与层之间粘接及耦合必须良好。

  正是由于这两点,Terfenol-D和弛豫铁电单晶(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3 (PMNT)被人们认识到是最有希翼用来实现最优磁电复合的两种基本材料。PMNT单晶是一种新型的超高性能的压电材料,压电常量d33达到2000pC/N以上;d15可以达到6000pC/N;机电耦合系数k33可达到90%以上。Terfenol-D (TbxDy1-xFe2-y)是目前最优异的已商品化的超磁致伸缩材料,其磁致伸缩系数可达1500-3000ppm,机电耦合系数达到75%。因此,Terfenol-D/PMNT复合磁电材料是最有希翼获得实际应用的超高性能磁电材料之一,而且国外已经有初步的研究结果表明Terfenol-D/PMNT复合材料具有非常优异的磁电性能,其磁电系数aE达到10.3V/cm.Oe,比其他的0-3复合或者单相磁电材料提高了80多倍;而且它具有超高的磁场灵敏度(分辨率可达10-11-10-12T)。有人报道了它在变压器方面的巨大应用前景,实验结果表明最大变压比(输入与输出电压比)可达到300。这非常适合于野外操作需要高压的场合。这种复合制作的磁电传感器预期会比传统的磁探测器精度提高很多(至少5-6倍),而且质量轻,体积小,探测范围广,灵敏度高。

  

  

  PMNT/磁致伸缩材料(Terfenol-D)/PMNT三明治结构

曹逊

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