一种压电材料层串接的磁电层合材料结构制造技术

本实用新型专利技术公开一种磁电材料领域中的压电材料层串接的磁电层合材料结构，由最上层的磁致伸缩材料层、中间层的压电材料层和最下层的另一磁致伸缩材料层组成一个整体，压电材料层由四片相同的单个压电材料层串接而成，每片单个压电材料层的长×宽×厚均是6mm×3mm×1mm，单个压电材料层粘结面是3mm×1mm表面；两磁致伸缩材料层的总厚度与压电材料层的厚度比为2∶1；两磁致伸缩材料层沿长度方向磁化，压电材料层沿长度方向极化，单个压电材料层的极化方向沿3mm维度方向。本实用新型专利技术输出电压等于被串接在一起的单个压电材料层输出电压之和，通过改变压电材料层结构来间接改变极化方向，使电压输出值显著提高，从而提高磁电层合材料的磁电转换系数。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于磁电材料领域，尤其涉及基于压电材料层串接的磁电层合材料结构。
技术介绍
磁电材料是具有磁电效应的一种新型磁电功能材料，同时具有铁磁性、压电性和磁电性，在传感器、换能器、制动器等方面具有极大的潜在应用价值。磁电转换系数是衡量磁电材料性能的主要指标，磁电转换系数越高，磁电换能能力便越强。磁电材料可根据其组成相的成分和组成方法来进行区分，对于现有的磁电材料， 主要可以分为两大类，即单相磁电材料和多相磁电材料。单相磁电材料是指仅由一种组成相构成的具有磁电效应的材料；多相磁电材料是指由两种或两种以上的组成相构成的磁电材料。对于多相磁电材料，又可将其分成混相磁电材料和磁电层合材料。磁电层合材料的组成相包括超磁致伸缩材料Terfenol-D (铽镝铁合金)和压电陶瓷，两种组相通过粘合剂进行宏观粘合，从而构成类似“三明治”的层合结构。磁电层合材料是基于一种被称为“乘积效应”的耦合原理而产生磁电效应的，所谓“乘积效应”是指当一相材料具有A-B的性能， 另一相材料具有B—C的性能时，则当两相复合后具有两相均不具备的性能A-C;具体地，磁电层合材料中的磁致伸缩相材料在磁场中会产生振动，通过粘合剂的粘合作用带动压电相材料发生共同振动，从而产生电荷，最终实现磁电效应；磁电效应是指施加磁场引起电极化变化的效应，或者施加电场引起磁极化变化的效应，磁电层合材料与传统的磁电材料相比较，其主要优点在于制作工艺简便，磁电转换能力强。目前已有的磁电层合材料的形状主要有矩形薄板形状和圆形薄饼形状。磁电层合材料的性能由尺寸结构、谐振频率、偏置磁场大小、磁化方向以及极化方向等多种因素决定。磁化方向是针对磁致伸缩相材料而言。一般来说，磁电层合材料中磁致伸缩相材料的磁化方向是材料所具有的最大维度方向。以矩形薄板形状的磁电层合材料为例，其中磁致伸缩相材Terfenol-D的磁化方向是沿矩形的长度方向。当施以与磁化方向相同的变化磁场时，磁致伸缩相材料会产生与磁场方向同向的振动，这种振动模式被称为L模式，如果振动方向与磁场方向相垂直，那么该振动模式被称为T模式。由此可知，磁化方向决定了磁致伸缩相材料的振动方向。极化方向是针对压电相材料而言，压电材料在使用之前必须经过极化处理，使得压电材料内部的方向不一的电畴取向一致，以便在承受力作用时更好地产生压电效应。压电材料的极化方向影响了压电材料在产生压电效应时的电场方向，当极化方向与压电相材料的振动方向相同时，该模式被称为L模式；当极化方向与振动方向相垂直时，该模式被称为T模式。因此磁电层合材料的总体工作模式由磁致伸缩相材料的振动模式和压电相材料的振动模式共同表达，例如L-T工作模式的磁电层合材料表示在该磁电层合材料中磁致伸缩相材料的振动模式为L模式，而压电相材料的振动模式为T模式。磁电层合材料的结构指的是磁电层合材料中磁致伸缩相材料和压电相材料所占的体积比重及布置方式，主要有以下几种结构①两层磁致伸缩相材料中间夹有一层压3电相材料的MPM结构；②两层压电相材料中间夹有一层磁致伸缩相材料PMP ；③多层结构 MPMPM或PMPMP ；④双层结构MP。其中字母M表示磁致伸缩相材料，P表示压电相材料。目前，J Ryu 等人在其论文 Magnetoelectric Properties in Piezoelectric andMagnetostrictive Laminate Composites. J. Appl. Phys,2001,40 :4948-4951 ψ f 报道了 Terfenol-D/PZT层合材料的磁电系数最大能够达到5. 9V/cm Oe0但现有的矩形磁电层合材料中压电相材料的极化方向大都沿厚度方向极化，根据电学基本理论可知，矩形带电体的两极板间电压值与电场强度和两极间的距离有关，可描述为U = Ed，其中d为两极板间距离。因此，在理论上当两极板间距增大时其板间电压值会增大，但在磁电层合材料中如果增大压电相材料的厚度，即两极板间距，使其厚度达到与宽度相近的水平时，其振动会变得困难，不但不能够增大磁电材料的输出电压，反而会降低磁电材料的磁电转换能力。因此，通过改变压电相材料的极化方向，即使压电相材料沿长度方向极化来提高磁电材料的输出电压，进而提高磁电转换能力，这一措施虽然能够增大磁电层合材料的磁电转换系数， 但制造工艺难度大，因为压电材料在极化时需要很高的极化电压，例如锆钛酸铅的极化电压约为1200V/mm，极化长度为Icm的锆钛酸铅就需要约12000V的高压；此外，还要保证极化时压电材料两极与极化设备接触良好，如果存在微小的缺陷都会使压电材料被高压电击坏，所以目前制成的矩形磁电层合材料中，压电相材料均为沿厚度方向极化。综上所述，目前的磁电层合材料无法同时满足以下两点①磁电层合材料中压电相材料沿长度方向极化以实现较大的电压输出；②使具有沿长度方向极化的压电相材料制备工艺简便易行。
技术实现思路
本技术的目的是针对现有磁电层合材料结构的不足，提出一种基于压电材料层串接的磁电层合材料结构，不仅制备工艺简便易行，而且压电相材料沿长度方向极化能获得较大的输出电压。本技术为实现上述目的采用的技术方案是由最上层的磁致伸缩材料层、中间层的压电材料层和最下层的另一磁致伸缩材料层组成，高分子粘结剂将这三层粘结成一个整体，压电材料层由四片相同的单个压电材料层串接而成，每片单个压电材料层的长X 宽χ厚均是6mmX3mmX 1mm，单个压电材料层之间由高分子粘结剂粘结，且其粘结面是 3mmXlmm表面；磁致伸缩材料层和另一磁致伸缩材料层的总厚度与压电材料层的厚度比为2 1 ；两所述磁致伸缩材料层沿长度方向磁化，压电材料层沿长度方向极化，单个压电材料层的极化方向沿3mm维度方向。本技术具有以下技术效果采用压电材料层串接与磁致伸缩材料层构成磁电层合材料结构，串接的压电材料层输出电压等于被串接在一起的每一个压电材料层的输出电压之和，通过改变磁电层合材料中压电相材料层的结构来间接地改变压电相材料的极化方向，使电压输出值有显著提高，从而提高磁电层合材料的磁电转换系数，不仅具有优良的磁电转换性能，而且制备工艺十分简单，克服了目前制备沿长度极化的压电材料层所面临的工艺困难。附图说明图1是本技术结构图。图2是图1中压电材料层2的结构示意图。图3为本技术的磁电转换系数与磁电层合材料中不同材料的厚度比关系曲线图。图中1.磁致伸缩材料层；2.压电材料层；3.磁致伸缩材料层；4.单个压电材料层。具体实施方式如图1所示，本技术由三层组成，最上层是磁致伸缩材料层1，中间层是压电材料层2，最下层是另一磁致伸缩材料层3，三层之间用高分子粘结剂牢固粘结成一个整体。磁致伸缩材料层1和另一磁致伸缩材料层3的总厚度与压电材料层2的厚度比为2 1， 本技术优选磁致伸缩材料层1、3与压电材料层2的厚度相同。磁致伸缩材料层1、3采用铽镝铁合金材料制作，压电材料层2采用锆钛酸铅材料制作，高分子粘结剂采用环氧树脂。如图2所示，压电材料层2的结构由四片相同的单个压电材料层4串接而成，每片单个压电材料层4的长是L、宽是M、厚是H，LXMXH规格均为6mmX3mmXlmm ；单个压电材料层4的极化方向为沿着3mm维度的方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种压电材料层串接的磁电层合材料结构，由最上层的磁致伸缩材料层（１）、中间层的压电材料层（２）和最下层的另一磁致伸缩材料层（３）组成，高分子粘结剂将这三层粘结成一个整体，其特征是：所述压电材料层（２）由四片相同的单个压电材料层（４）串接而成，每片单个压电材料层（４）的长×宽×厚均是６ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍ，单个压电材料层（４）之间由高分子粘结剂粘结，且其粘结面是３ｍｍ×１ｍｍ表面；磁致伸缩材料层（１）和另一磁致伸缩材料层（３）的总厚度与压电材料层（２）的厚度比为２∶１；两所述磁致伸缩材料层（１、３）沿长度方向磁化，压电材料层（２）沿长度方向极化，单个压电材料层（４）的极化方向沿３ｍｍ维度方向。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：骆英，李传崴，鲍丙豪，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：实用新型
国别省市：32