一种具有巨大磁电耦合效应的新型复合材料及应用制造技术

具有巨大磁电耦合效应的新型复合材料，将Ｎｉ基合金和压电材料制成层状复合材料，Ｎｉ基合金可以是ＮｉＭｎ、ＮｉＦｅ、ＮｉＣｏ、ＮｉＴｉ二元合金，或是上述合金的三元合金，如ＮｉＦｅＧａ、ＮｉＴｉＨｆ、ＮｉＭｎＧａ、ＮｉＦｅＯ、ＮｉＣｏＯ，ＮｉＴｉＰｄ等；压电材料可以是压电系数较大的ＰＺＴ、ＰＭＮ－ＰＴ、ＬｉＮｂＯ↓［３］等。本发明专利技术采用一种具有磁电效应的新型复合材料，并利用Ｎｉ基合金中的某些与温度有关的效应获得了出乎意料的大磁电耦合效应。从而设计出与温度相关的磁电耦合效应的材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种具有巨(大)磁电耦合效应的新型复合材料及设计方法和应用。尤其是压电/磁致伸缩(压磁)耦合机制的材料及设计方法。
技术介绍
磁电耦合效应主要描述固体中电偶极矩(电极化)对外磁场的响应或者磁矩对外电场的响应，一般而言包括铁电—磁性复合结构中铁电与铁磁耦合效应。这使得我们能够设想通过磁场控制电极化实现数据存储或通过电场控制磁性等应用，这是电介质和磁性材料本身所不具备的功能。产生磁电效应在原子层次上可以有很多不同的机制，从凝聚态物理角度，有五种机制单独或联合起作用1.两种序参量对称交换作用；2.偶极矩交互作用；3.反对称交换作用；4.单离子各向异性；5.Zeeman能量调制。只要有一种机制在材料中起作用且不违反空间和时间反演对称性，磁电效应就可能存在。从材料物理角度看，这些机制表现为各种铁电、铁磁一阶物理效应相互耦合；电光效应与磁光效应的耦合以及更小层次的与Jahn-Teller效应相联的轨道耦合等。1894年Curie基于对晶体对称性的考虑就预言了磁电效应的存在，但是直到1958年才由Landau和Lifshitz证实了在某些晶体中存在着磁电效应(L.D.Landau and E.M.Lifshitz，Electrodynamics of continuous media(Reading Mass.)连续介质的电致效应力学Addison-Wesley，1960)。随后，Dzyaloshinskii对反铁磁Cr2O3的对称性进行了讨论，认为Cr2O3具有磁电效应，并且得到了实验的验证。自此，由于其潜在的应用前景如磁电传感器等，十余种晶系的磁电效应开始被广泛研究。但是单相的磁电材料的磁电效应不够明显，而且它们的尼耳温度或居里温度远远低于室温，这就使得这些材料的实际应用价值不够。1980年代，人们发现将铁电和铁磁物质复合在一起形成复合材料，如CoFe2O4/BaTiO3，铁酸盐/PZT，由于二者之间的耦合可以获得磁电效应。几十年来，欧美日和印度的科学家在发现和合成新的磁电耦合系统方面有卓有成效的工作，建立和发展了系统的合成材料与表征磁电耦合性质的方法；理论方面，主要有相变研究的唯象理论和基于微观对称性的群论方法以及基于晶体宏观热力学关系的高阶张量格林函数加扰动理论方法。但是，一个基本的事实是，磁电耦合反映了铁电(反铁电)序与铁磁(反铁磁)序的耦合，基本上是高阶(二阶以上)的，因此是内禀上较弱的物理效应。这一本质使得寻找具有大磁电效应材料的工作格外艰难，到目前为止还没有实验室水平的产品问世。理论上的成就就是在相变热力学和静态性质方面，在预言巨大磁电效应新材料方面进展不大，对不同层次磁电效应的物理机理认识仍然处于较低的水平。这种理论发展的相对滞后未能对实验探索提供足够有效的指导。总之，对铁电—铁磁耦合效应的研究时间长久但认识有待深入，对磁电效应这一独特现象期望很高但现实不容乐观，对这一领域的科学意义众所公认但研究工作面临严峻挑战。但近年在磁电效应研究方面又的确取得了某些进展。早在1980年代，压电/磁致伸缩(压磁)耦合机制引致磁电效应就为人们认识到。国内南策文等提出将压电材料与压磁材料复合在一起，利用上述电—力与磁—力间的耦合实现大磁电耦合效应的观点，并随之发展了基于宏观热力学的格林函数理论和切实可行的计算方法(C.W.Nan，Phys.Rev.B50，6082(1994)，C.W.Nan et.al.Appl.Phys.Lett.78，2527(2001))。也就是说，磁电效应可以通过人为设计和剪裁得以实现，只要两基元材料分别具有大的压电和压磁效应，通过有效的耦合传递使复合材料展现高的磁电效应。类似的观点可以应用到其它耦合情况，如热释电材料与磁热材料间的复合。不过，目前实验测定的磁电效应还是比理论预言的低，显示实验体系未能达到理论上考虑的复合两相理想耦合。目前复合材料从结构上来看主要分为0-3型/3-3型(如NFO-PZT(铅和锆的钛酸盐)、CFO-PZT等)，以及2-2型(如属于层间耦合的Terfenol-D-PZT、CFO-PZT和NFO-TiBaO3的多层结构；属于纵向耦合的Terfenol-D/Epoxy-PZT/Epoxy等)。Terfenol为稀土铽镝铁合金。由具有巨大的磁致伸缩效应的稀土合金(如Tb1-xDyxFe2(Terfenol-D))和具有压电性能的物质所形成的复合物(如Terfenol-D/P(VDF-TrFE，偏氟乙烯和三氟乙烯共聚物)、Terfenol-D/PZT等)会表现出巨磁电效应，即其磁电效应要比Cr2O3、铁酸盐/PZT等陶瓷复合物要大得多。这些材料更具有实际的应用前景，如用于传感器、激励装置以及换能器等。三
技术实现思路
本专利技术属于其中的2-2型，没有采用常规的具有大磁致伸缩效应的Terfenol-D(稀土材料铽镝和铁制成的合金棒)。本专利技术目的是采用一种具有磁电效应的新型复合材料，目前在磁电效应研究中未见使用。这是一种Ni基合金和PZT等压电材料的层状复合材料，利用Ni基合金中的某些与温度有关的效应获得了出乎意料的大磁电耦合效应。本专利技术的目的还在于利用磁电效应中体现出的温度效应，从而设计出与温度相关的磁电耦合效应的材料；将磁电耦合效应材料和技术应用于与温度相关的领域。本专利技术的目的是这样实现的将Ni基合金和压电材料制成层状复合材料，Ni基合金可以是NiMn、NiFe、NiCo、NiTi等合金，也可以是上述合金的三元合金，如NiFeGa、NiTiHf、NiMnGa、NiFeO、NiCoO，NiTiPd等。压电材料可以是压电系数较大的PZT、PMN-PT、LiNbO3等。本专利技术用NiMnGa和PZT形成的层状复合材料的磁电耦合效应的系数可以达到的范围是100-700mv/mmOe，并且其大小可通过温度控制，在某些温度磁电耦合系数显著增大七、八倍。估计NiFeGa、NiTiHf、NiFeO、NiCoO，NiTiPd等作为磁致伸缩材料形成的复合材料的磁电耦合效应也能达到50-500mv/mmOe。以NiMnGa合金为例，其结构属于Heusler型，低温相为正方结构，具有磁各向异性，磁化强度依赖于外磁场强度；高温相为立方结构，磁化强度不依赖于外磁场强度，易于磁化，居里温度为275K。并且该合金还具有形状记忆效应，在发生相变的时候，磁化率极低；在相变温度由正方结构转变为立方结构时急剧增大；温度继续升高，到居里温度时又急剧减小，铁磁性消失。1998年，美国MIT的研究人员已经测到Ni2MnGa单晶在2T磁场下的磁诱发应变大约为2000×10-6，达到稀土超磁致伸缩材料超大磁致伸缩应变的水平。本专利技术中所用的磁致伸缩材料为NiMnGa合金，三者比例分别为40-60％、20-40％、20-40％，如52％、24％、24％。该材料在磁场中，磁畴择优排列，尽量沿磁场方向排列，导致形变。如果沿合金长度方向加直流磁场，合金会沿长度方向收缩。如果沿合金长度方向加交流磁场，合金会沿长度方向震荡收缩。总之，此类Ni基合金是兼具强磁性、形状记忆效应和大磁致伸缩效应等多种功能特性的新型功能材料。其磁致伸缩引起的形变可以产生比较大的应力。这种合金还具有形状记忆特性，在改变温度的过程中，例如材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有巨大磁电耦合效应的新型复合材料，其特征是将Ｎｉ基合金和压电材料制成层状复合材料，Ｎｉ基合金可以是ＮｉＭｎ、ＮｉＦｅ、ＮｉＣｏ、ＮｉＴｉ二元合金，或是上述合金的三元合金，如ＮｉＦｅＧａ、ＮｉＴｉＨｆ、ＮｉＭｎＧａ、ＮｉＦｅＯ、ＮｉＣｏＯ，ＮｉＴｉＰｄ等；压电材料可以是压电系数较大的ＰＺＴ、ＰＭＮ－ＰＴ、ＬｉＮｂＯ↓［３］等。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱劲松，戴玉蓉，赵可，包鹏，张志方，万建国，吕笑梅，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]