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摘 要

Abstract 1

第一章 研究背景 2

1.1 多铁性材料 2

1.2 铁磁/铁电材料的磁电复合效应 2

1.3 压电材料和磁致伸缩材料的四类本构方程 3

1.4材料磁电效应的频率响应 4

1.5 本文具体的研究内容及方法 5

第二章 样品制备和实验测量结果 6

2.1 样品制备 6

2.2 实验测量 6

2.3 测量结果 7

第三章 正逆磁电系数频率响应公式的理论推导 9

3.1正磁电系数频率响应的推导 9

3.2逆磁电系数频率响应的推导 11

3.3 讨论 13

第四章 结果与讨论 14

4.1 理论计算结果 14

4.2 讨论 15

4.3小结与展望 15

参考文献 16

致谢 18

摘要：实验制备了FeGa-PZT-FeGa三明治层状磁致伸缩/压电复合结构，并测量了其正逆磁电效应的频率响应特性。实验结果表明，正逆磁电效应的谐振频率十分接近，但不完全相同，分别对应着电阻抗的反谐振频率和谐振频率。对于正逆磁电效应，根据不同的应力和应变，电场和电位移，磁场强度和磁感应强度的转化关系，采用不同类型的材料本构方程，运用弹性力学的方法，结合运动方程，推导出正逆磁电系数的频率响应公式，并与实验结果作比较，理论结果与实验结果符合得很好。本文对于理解谐振正逆磁电效应的内在本质联系具有一定的价值，对于磁电器件的设计也具有一定的指导意义。

关键词：磁致伸缩/压电复合材料，谐振频率，频率响应

Abstract: We prepared FeGa-PZT-FeGa sandwich layered magnetostrictive/ piezoelectric composite and measured frequency response of direct and converse magnetoelectric effects. Experimental results indicate that the resonance frequencies for direct and converse magnetoelectric effect are close, but not identical, corresponding to antiresonant frequency and resonant frequency of electrical impedance, respectively. Based on the conversion relationship between stress and strain, electric field and electric displacement, magnetic field and the magnetic flux density, different types of material constitutive equations combined with the equations of motion were adopted to derive the theoretical expressions for the frequency response of direct and converse magnetoelectric effects. Theoretical results are in good agreement with the experimental results. This work is of significance for understanding the relationship between resonant direct and converse magnetoelectric effect, and designing magnetoelectric devices.

Keywords: magnetostrictive/piezoelectric composite，resonant frequency，frequency response

第一章 研究背景

1.1 多铁性材料

铁电性、铁磁性和铁弹性统称铁性，铁电体具有自发电极化，铁磁体具有自发磁极化，铁弹体具有自发应变。铁性(Ferroic )材料(如铁电、铁磁材料)是一种非常重要的先进功能材料，其中的一类是多铁性(Multiferroic)材料。多铁性指的是在一种材料中同时具有两种以上的铁性[1]，由于铁性之间的耦合作用，如磁介电[2]、磁电[3]、磁控相变[4]等特殊的性能，广泛应用于换能器、传感器[5]、敏感器等，在敏感、传感、驱动及智能系统等高技术领域占主导地位。在器件微型化，需求多样化的现代生活生产中，具备多种功能的材料，可以应用于制造新型多功能器件，因而，多铁性材料受到人们越来越多的关注[6-10]。

多铁性材料在自然界中并不多见，多铁性材料具备各种单一的铁性(如铁电性、铁磁性和铁弹性)，由于它们在新型多功能器件方面的潜在应用，引起人们强烈的研究兴趣。在Cr₂0₃单相中观察到磁电效应之后，人们又在很多具有一定晶体对称性的反铁磁物质内观察到磁电效应。目前单相多铁性磁电材料种类十分有限，只有少数单相化合物具有多铁性，磁电效应很微弱，或者可观察到磁电效应的温度很低，无法实际应用。后来，人们开始采用复合的方法获得具有多铁性的材料，即把铁电材料和铁磁材料通过各种方法复合在一起，组成具有多种铁性的复合材料。磁电复合材料可在室温下具有强磁电效应，因而，许多学者将目光转向了磁电复合材料。随着信息技术的发展，人们对材料性能以及器件小型化要求越来越高，开发新型材料和设计不同类型的材料成为新材料研究的热点。

1.2 铁磁/铁电材料的磁电复合效应

对于磁复合电材料来说，由于各组成相自身不存在磁电性，是通过相与相之间以应力为媒介的“乘积相互作用”来实现磁电效应的，因此，这是一种宏观尺度上的效应。这种类型主要是压电/压磁(磁致伸缩)两相之间的耦合作用，压磁相在外加磁场中发生应变，应变通过二者之间的机械耦合作用传递给压电相，然后由压电效应产生电极化。压电效应与磁致伸缩效应耦合到一起就产生磁电效应。

正磁电效应是指介质在外加磁场H作用下发生电极化P即正磁电效应；逆磁电效应是指介质在外加电场E的作用下发生磁极化M即逆磁电效应。

正逆磁电效应可分别表示为：

，

1.3 压电材料和磁致伸缩材料的四类本构方程

磁致伸缩材料磁-机物理量之间的关系，其中涉及磁场强度 H、应变 ε、应力 σ和磁感应强度 B 四个物理量，根据边界条件的不同，有四类压磁方程可以描述它们之间的关系,如下表1-1所示：

表1-1压磁方程及界条件

表 1.1 中，是材料在恒定磁场强度条件下的弹性柔顺系数，单位为；d 是压磁应变常数，单位为 Wb/N；是材料在恒定应力条件下的磁导率，单位为H/m;表示材料在恒定磁场强度条件下的弹性常数，单位为；是材料在恒定应变条件下的磁导率，单位为H/m; e是磁应力常数，单位为 N/A.m；是材料在恒定磁感应强度条件下的弹性柔顺系数，单位为；是材在恒定应力条件下的磁阻率，单位为 m/H;表示材料在恒定磁感应强度条件下的弹性常数，单位为；g 为压磁应变常数，单位为 A.m/N; h为压磁应力常数，单位为N/Wb;是材料在恒定应变条件下的磁阻率，单位为m/H。

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