專利名稱：一種壓電材料層串接的磁電層合材料結(jié)構(gòu)的制作方法
一種壓電材料層串接的磁電層合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于磁電材料領(lǐng)域，尤其涉及一種基于壓電層串接的磁電層合材料結(jié)構(gòu)。
技術(shù)背景
磁電材料是具有磁電效應(yīng)的一種新型磁電功能材料，同時(shí)具有鐵磁性、壓電性和 磁電性，在傳感器、換能器、制動(dòng)器等方面具有極大的潛在應(yīng)用價(jià)值。磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)是衡量 磁電材料性能的主要指標(biāo)，磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)越高，磁電換能能力便越強(qiáng)。磁電材料可根據(jù)其 組成相的成分和組成方法來(lái)進(jìn)行區(qū)分，對(duì)于現(xiàn)有的磁電材料，主要可以分為兩大類，即單相 磁電材料和多相磁電材料。單相磁電材料是指僅由一種組成相構(gòu)成的具有磁電效應(yīng)的材 料；多相磁電材料是指由兩種或兩種以上的組成相構(gòu)成的磁電材料。對(duì)于多相磁電材料， 又可將其分成混相磁電材料和磁電層合材料。磁電層合材料的組成相包括超磁致伸縮材料 Terfenol-D (鋱鏑鐵合金)和壓電陶瓷，兩種組相通過(guò)粘合劑進(jìn)行宏觀粘合，從而構(gòu)成類似 “三明治”的層合結(jié)構(gòu)。磁電層合材料是基于一種被稱為“乘積效應(yīng)”的耦合原理而產(chǎn)生磁 電效應(yīng)的，所謂“乘積效應(yīng)”是指當(dāng)一相材料具有A-B的性能，另一相材料具有B-C的性能 時(shí)，則當(dāng)兩相復(fù)合后具有兩相均不具備的性能A-C;具體地，磁電層合材料中的磁致伸縮相 材料在磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，通過(guò)粘合劑的粘合作用帶動(dòng)壓電相材料發(fā)生共同振動(dòng)，從而產(chǎn) 生電荷，最終實(shí)現(xiàn)磁電效應(yīng)；磁電效應(yīng)是指施加磁場(chǎng)引起電極化變化的效應(yīng)，或者施加電場(chǎng) 引起磁極化變化的效應(yīng)，
磁電層合材料與傳統(tǒng)的磁電材料相比較，其主要優(yōu)點(diǎn)在于制作工藝簡(jiǎn)便，磁電轉(zhuǎn) 換能力強(qiáng)。目前已有的磁電層合材料的形狀主要有矩形薄板形狀和圓形薄餅形狀。磁電層 合材料的性能由尺寸結(jié)構(gòu)、諧振頻率、偏置磁場(chǎng)大小、磁化方向以及極化方向等多種因素決 定。磁化方向是針對(duì)磁致伸縮相材料而言。一般來(lái)說(shuō)，磁電層合材料中磁致伸縮相材料的 磁化方向是材料所具有的最大維度方向。以矩形薄板形狀的磁電層合材料為例，其中磁致 伸縮相材Terfenol-D的磁化方向是沿矩形的長(zhǎng)度方向。當(dāng)施以與磁化方向相同的變化磁 場(chǎng)時(shí)，磁致伸縮相材料會(huì)產(chǎn)生與磁場(chǎng)方向同向的振動(dòng)，這種振動(dòng)模式被稱為L(zhǎng)模式，如果振 動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向相垂直，那么該振動(dòng)模式被稱為T模式。由此可知，磁化方向決定了磁致 伸縮相材料的振動(dòng)方向。極化方向是針對(duì)壓電相材料而言，壓電材料在使用之前必須經(jīng)過(guò) 極化處理，使得壓電材料內(nèi)部的方向不一的電疇取向一致，以便在承受力作用時(shí)更好地產(chǎn) 生壓電效應(yīng)。壓電材料的極化方向影響了壓電材料在產(chǎn)生壓電效應(yīng)時(shí)的電場(chǎng)方向，當(dāng)極化 方向與壓電相材料的振動(dòng)方向相同時(shí)，該模式被稱為L(zhǎng)模式；當(dāng)極化方向與振動(dòng)方向相垂 直時(shí)，該模式被稱為T模式。因此磁電層合材料的總體工作模式由磁致伸縮相材料的振動(dòng) 模式和壓電相材料的振動(dòng)模式共同表達(dá)，例如L-T工作模式的磁電層合材料表示在該磁電 層合材料中磁致伸縮相材料的振動(dòng)模式為L(zhǎng)模式，而壓電相材料的振動(dòng)模式為T模式。
磁電層合材料的結(jié)構(gòu)指的是磁電層合材料中磁致伸縮相材料和壓電相材料所占 的體積比重及布置方式，主要有以下幾種結(jié)構(gòu)①兩層磁致伸縮相材料中間夾有一層壓 電相材料的MPM結(jié)構(gòu)；②兩層壓電相材料中間夾有一層磁致伸縮相材料PMP ；③多層結(jié)構(gòu)MPMPM或PMPMP ；④雙層結(jié)構(gòu)MP。其中字母M表示磁致伸縮相材料，P表示壓電相材料。
目前，J Ryu 等人在其論文 Magnetoelectric Properties in Piezoelectric andMagnetostrictive Laminate Composites[J]. J. Appl. Phys,2001,40 :4948-4951 ψ f 報(bào)道了 Terfenol-D/PZT層合材料的磁電系數(shù)最大能夠達(dá)到5. 9V/cm Oe0但現(xiàn)有的矩形磁 電層合材料中壓電相材料的極化方向大都沿厚度方向極化，根據(jù)電學(xué)基本理論可知，矩形 帶電體的兩極板間電壓值與電場(chǎng)強(qiáng)度和兩極間的距離有關(guān)，可描述為U = Ed，其中d為兩極 板間距離。因此，在理論上當(dāng)兩極板間距增大時(shí)其板間電壓值會(huì)增大，但在磁電層合材料中 如果增大壓電相材料的厚度，即兩極板間距，使其厚度達(dá)到與寬度相近的水平時(shí)，其振動(dòng)會(huì) 變得困難，不但不能夠增大磁電材料的輸出電壓，反而會(huì)降低磁電材料的磁電轉(zhuǎn)換能力。因 此，通過(guò)改變壓電相材料的極化方向，即使壓電相材料沿長(zhǎng)度方向極化來(lái)提高磁電材料的 輸出電壓，進(jìn)而提高磁電轉(zhuǎn)換能力，這一措施雖然能夠增大磁電層合材料的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)， 但制造工藝難度大，因?yàn)閴弘姴牧显跇O化時(shí)需要很高的極化電壓，例如鋯鈦酸鉛的極化電 壓約為1200V/mm，極化長(zhǎng)度為Icm的鋯鈦酸鉛就需要約12000V的高壓；此外，還要保證極 化時(shí)壓電材料兩極與極化設(shè)備接觸良好，如果存在微小的缺陷都會(huì)使壓電材料被高壓電擊 壞，所以目前制成的矩形磁電層合材料中，壓電相材料均為沿厚度方向極化。
綜上所述，目前的磁電層合材料無(wú)法同時(shí)滿足以下兩點(diǎn)①磁電層合材料中壓電 相材料沿長(zhǎng)度方向極化以實(shí)現(xiàn)較大的電壓輸出；②使具有沿長(zhǎng)度方向極化的壓電相材料制 備工藝簡(jiǎn)便易行。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有磁電層合材料結(jié)構(gòu)的不足，提出一種基于壓電材料層串 接的磁電層合材料結(jié)構(gòu)，不僅制備工藝簡(jiǎn)便易行，而且壓電相材料沿長(zhǎng)度方向極化能獲得 較大的輸出電壓。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是由最上層的磁致伸縮材料層、中間層 的壓電材料層和最下層的另一磁致伸縮材料層組成，高分子粘結(jié)劑將這三層粘結(jié)成一個(gè) 整體，壓電材料層由四片相同的單個(gè)壓電材料層串接而成，每片單個(gè)壓電材料層的長(zhǎng)X 寬χ厚均是6mmX3mmX 1mm，單個(gè)壓電材料層之間由高分子粘結(jié)劑粘結(jié)，且其粘結(jié)面是 3mmXlmm表面；磁致伸縮材料層和另一磁致伸縮材料層的總厚度與壓電材料層的厚度比 為2 1 ；兩所述磁致伸縮材料層沿長(zhǎng)度方向磁化，壓電材料層沿長(zhǎng)度方向極化，單個(gè)壓電 材料層的極化方向沿3mm維度方向。
本發(fā)明具有以下技術(shù)效果采用壓電材料層串接與磁致伸縮材料層構(gòu)成磁電層 合材料結(jié)構(gòu)，串接的壓電材料層輸出電壓等于被串接在一起的每一個(gè)壓電材料層的輸出電 壓之和，通過(guò)改變磁電層合材料中壓電相材料層的結(jié)構(gòu)來(lái)間接地改變壓電相材料的極化方 向，使電壓輸出值有顯著提高，從而提高磁電層合材料的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)，不僅具有優(yōu)良的磁 電轉(zhuǎn)換性能，而且制備工藝十分簡(jiǎn)單，克服了目前制備沿長(zhǎng)度極化的壓電材料層所面臨的 工藝?yán)щy。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)圖。
圖2是圖1中壓電材料層2的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)與磁電層合材料中不同材料的厚度比關(guān)系曲線圖。
圖中1.磁致伸縮材料層；2.壓電材料層；3.磁致伸縮材料層；4.單個(gè)壓電材料層。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明由三層組成，最上層是磁致伸縮材料層1，中間層是壓電材料 層2，最下層是另一磁致伸縮材料層3，三層之間用高分子粘結(jié)劑牢固粘結(jié)成一個(gè)整體。磁 致伸縮材料層1和另一磁致伸縮材料層3的總厚度與壓電材料層2的厚度比為2 1，本發(fā) 明優(yōu)選磁致伸縮材料層1、3與壓電材料層2的厚度相同。磁致伸縮材料層1、3采用鋱鏑鐵 合金材料制作，壓電材料層2采用鋯鈦酸鉛材料制作，高分子粘結(jié)劑采用環(huán)氧樹(shù)脂。
如圖2所示，壓電材料層2的結(jié)構(gòu)由四片相同的單個(gè)壓電材料層4串接而成，每片 單個(gè)壓電材料層4的長(zhǎng)是L、寬是M、厚是H，LXMXH規(guī)格均為6mmX 3mmX Imm ；單個(gè)壓電材 料層4的極化方向?yàn)檠刂?mm維度的方向，單個(gè)壓電材料層4之間由高分子粘結(jié)劑進(jìn)行粘 結(jié)，且其粘結(jié)面為MX H表面，S卩3mmX Imm表面，保證了每片單個(gè)壓電材料層4的極化方向 一致。
本發(fā)明優(yōu)選最上層的磁致伸縮材料層1的LXMXH規(guī)格為12mmX6mmX Imm ；最下 層的磁致伸縮材料層3的規(guī)格也12mmX6mmX 1mm。
本發(fā)明的磁致伸縮材料層1和3為沿長(zhǎng)度方向磁化，壓電材料層2沿著長(zhǎng)度方向 極化。根據(jù)壓電材料的有關(guān)理論可知，壓電材料層2為串接結(jié)構(gòu)時(shí)，壓電串接層2可獲得較 大的輸出電壓，可表示為U = nU，其中U為壓電串接層2的輸出電壓，η為壓電串接層2中 所串接的單個(gè)壓電材料層4的個(gè)數(shù)，U為單個(gè)壓電材料層4的輸出電壓。
將本發(fā)明的輸出電極鍍?cè)趬弘姴牧蠈?結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度兩端，由兩輸出電極導(dǎo)出的 引線接入到測(cè)試系統(tǒng)中，設(shè)置偏置磁場(chǎng)的強(qiáng)度和交變磁場(chǎng)的頻率，通過(guò)示波器觀察本發(fā) 明的電壓輸出值，通過(guò)彈性力學(xué)方法建立本發(fā)明的理論模型可得出如圖3所示的磁電轉(zhuǎn) 換系數(shù)與磁電層合材料中不同材料的厚度比關(guān)系曲線，由該曲線得出，本發(fā)明所達(dá)到的 最大磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)為9. 7V/cm0e，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有磁電層合材料的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)，根據(jù)公式 V = af3 χ Z X丑可知，當(dāng)壓電材料層2的長(zhǎng)度L與磁場(chǎng)H不變時(shí)，較高的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)可使 材料具有較高的輸出電壓，故本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)較高的電壓輸出。
權(quán)利要求
1.一種壓電材料層串接的磁電層合材料結(jié)構(gòu)，由最上層的磁致伸縮材料層(1)、中間 層的壓電材料層( 和最下層的另一磁致伸縮材料層( 組成，高分子粘結(jié)劑將這三層粘 結(jié)成一個(gè)整體，其特征是所述壓電材料層O)由四片相同的單個(gè)壓電材料層串接而 成，每片單個(gè)壓電材料層⑷的長(zhǎng)χ寬χ厚均是6mmX 3mmX 1mm，單個(gè)壓電材料層(4)之 間由高分子粘結(jié)劑粘結(jié)，且其粘結(jié)面是3mmX Imm表面；磁致伸縮材料層(1)和另一磁致伸 縮材料層C3)的總厚度與壓電材料層( 的厚度比為2 1 ；兩所述磁致伸縮材料層(1、3) 沿長(zhǎng)度方向磁化，壓電材料層( 沿長(zhǎng)度方向極化，單個(gè)壓電材料層的極化方向沿3mm 維度方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電材料層串接的磁電層合材料結(jié)構(gòu)，其特征是兩所 述磁致伸縮材料層(1、；3)與壓電材料層O)的厚度相同；兩所述磁致伸縮材料層(1、3)采 用鋱鏑鐵合金材料，壓電材料層( 采用鋯鈦酸鉛材料，高分子粘結(jié)劑采用環(huán)氧樹(shù)脂。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種磁電材料領(lǐng)域中的壓電材料層串接的磁電層合材料結(jié)構(gòu)，由最上層的磁致伸縮材料層、中間層的壓電材料層和最下層的另一磁致伸縮材料層組成一個(gè)整體，壓電材料層由四片相同的單個(gè)壓電材料層串接而成，每片單個(gè)壓電材料層的長(zhǎng)×寬×厚均是6mm×3mm×1mm，單個(gè)壓電材料層粘結(jié)面是3mm×1mm表面；兩磁致伸縮材料層的總厚度與壓電材料層的厚度比為2∶1；兩磁致伸縮材料層沿長(zhǎng)度方向磁化，壓電材料層沿長(zhǎng)度方向極化，單個(gè)壓電材料層的極化方向沿3mm維度方向。本發(fā)明輸出電壓等于被串接在一起的單個(gè)壓電材料層輸出電壓之和，通過(guò)改變壓電材料層結(jié)構(gòu)來(lái)間接改變極化方向，使電壓輸出值顯著提高，從而提高磁電層合材料的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)。
文檔編號(hào)H01L43/00GK102034926SQ20101029738
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者李傳崴, 駱英, 鮑丙豪 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)