Диссертация (Температурные и нелинейные характеристики резонансного магнитоэлектрического эффекта в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик), страница 10

3.1 приведены частотные зависимости измеренного при комнатнойтемпературе напряжения для резонаторов из PZT и LGT, величина которогопропорциональна импедансу ПЭ резонатора. Наблюдаемые пики в районе 61 кГц дляPZT и 85 кГц для LGT соответствуют основной моде продольных акустическихколебаний.4001,2Q=10020010004050607080900,40,084,9084,95f, kHza)Q=100000,8u, Vu, mV#16 LGT plate#19 PZT plateseries resonance30085,0085,0585,10f, kHzb)Рис. 3.1.

Зависимость амплитуды напряжения на выходе измерительной схемы от частотыдля PZT (a) и LGT (b).Видно, что добротность резонатора из лангатата (QLGT = 104) при комнатнойтемпературе на два порядка выше добротности керамического резонатора (QPZT = 100).68Далее были измерены температурные зависимости резонансной частоты идобротности, показанные на рис. 3.2.Резонансная частота пластины PZT (fPZT) с ростом температуры от 180 К до 400 Кмонотонно падает с 62.5 кГц до 60.7 кГц. Соответствующее изменение модуля Юнгасоставляет около ΔY/Yсред = −6%. Добротность Q PZT монотонно увеличивается с 80 при250 К до 90 при 360 К.Резонансная частота пластины LGT (fLGT) монотонно увеличивается с ростомтемпературы во всём исследованном диапазоне: от 84.75 кГц при 180 К до 85.05 кГц при380 К.

Таким образом, изменение модуля Юнга лангатата составляет ΔY/Yсред = 0.7 %,что согласуется с результатами, опубликованными в работе [98], где наблюдалосьувеличение модуля упругости Y13 лангатата на 0.5% при нагреве от 0°С до 120°С.85,0f, kHzf, kHz626184,86010020Q, 10Q37550102502003004000200300T, Ka)400T, Kb)Рис. 3.2. Температурные зависимости резонансной частоты и добротностипродольных колебаний в пластинах PZT (a) и LGT (b).Добротность пластины лангатата монотонно падает с 25·103 при 180 К до 8·103при 390 К. Падение добротности резонаторов из монокристаллического лангататаописывается в работе [99] и объясняется авторами совокупностью разных эффектов:рассеянием на точечных дефектах, фонон-фононным взаимодействием.69Температурная зависимость относительной диэлектрической проницаемостиПЭ материаловДля измерения температурной зависимости относительной диэлектрическойпроницаемости ε был изготовлен дисковый образец из керамики PZT диаметром 20 мм,толщиной 0.5 мм с нанесёнными на обе поверхности серебряными электродами,толщиной 1 мкм.

Образец помещался в термоячейку с регулируемой температурой, и cпомощьюRLC-метраизмеряласьегоёмкость.Затемвычисляласьвеличинаотносительной диэлектрической проницаемости керамики PZT при разных значенияхтемпературы.На рис. 3.3 приведена измеренная зависимость ε(T), а также tgδ(T) для образцапьезокерамики. Видно, что при увеличении температуры от 180 К до 380 К ε монотоннорастёт, увеличиваясь в 4 раза, а тангенс угла диэлектрических потерь остаётсяпрактически неизменным – около 2·103.6144 , 10tg  , 103-3322tg110150200250300350400T, KРис. 3.3.

Температурная зависимость относительной диэлектрическойпроницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь PZT.Температурные зависимости упругих свойств ФМ материаловС помощью методики, описанной в главе 2 (см. измерение), были измеренытемпературные зависимости характеристик продольных резонансных колебаний врезонаторах из Ni и Metglas.Измерение температурных зависимостей характеристик никеля проводили наобразце в форме прямоугольной пластины, длиной 44 мм, шириной 5 мм и толщиной0.34 мм.На рис.

3.4а приведены полученные температурные зависимости резонанснойчастоты и добротности пластины. Видно, что с увеличением температуры пластины Ni70от 200 К до 340 К резонансная частота уменьшается от 108.35 кГц до 104.2 кГц, т.е.изменяется на ~ 4 %, что намного превышает возможное изменение, вызванноетепловым расширением образца (около 0.15%), а добротность падает от 240 до 65, тоесть изменяется на 120 %. Значительное уменьшение резонансной частоты Niрезонатора с увеличением Т свидетельствует о достаточно сильной зависимости модуляЮнга Ni Y от температуры.Подставляя в выражение для модуля Юнга (2.4) размеры образца и параметры Ni,получаем, что модуль Юнга Ni уменьшается от Y ≈ 2,02∙1011 Н/м2 до Y ≈ 1,87∙1011 Н/м2при увеличении температуры от 200 К до 340 К (табличное значение при комнатнойтемпературе Y = 2,04∙1011 Н/м2).

На рис. 3.5 приведена температурная зависимостьрассчитанного таким образом модуля Юнга. Имеем, что относительное изменениемодуляЮнгавNiисследованноминтервалетемпературсоставляет~ ΔY/Yсред·100 = 7.9 %.62108,0106,260f, kHzf, kHzH=100 OeH=058104,456100200QQH=010050H=100 Oe0150200250300350T, K0200300400T, Ka)b)Рис. 3.4. Температурные зависимости резонансной частоты и добротностипродольных колебаний в пластинах Ni (a) и Metglas (b).71Второй исследованный образец ФМматериала2,1представлялпрямоугольнуюMetglasсразмерами 40 х 5 мм2 и толщиной 20 мкм., Pa2,0На рис. 3.18b приведены полученные для-11Y, 10пластинусобой1,9неёзависимостирезонансной частоты и добротности. Видно,1,8180температурные225270315360T, KРис.

3.5. Зависимость модуля Юнга Niот температуры.что при увеличении температуры от 160 Кдо 300 К резонансная частота Metglasпластиныуменьшаетсяот61 кГцдо56.5 кГц, достигая минимума. При дальнейшем росте температуры частота возрастаетдо 57.5 кГц при T = 400 K. Соответственно, относительное изменение модуля модуляЮнгадляMetglasвисследованноминтервалетемпературсоставляет~ ΔY/Yсред ∙ 100 = 14.3 %Добротность пластины Metglas с ростом температуры сначала уменьшается от 60при 160 К, достигает минимального значения 40 при температуре 220 К, а затем вновьмонотонно возрастает до 100 с увеличением температуры до 400 К.

Таким образом,добротность пластины Metglas изменяется в 2.5 раза в диапазоне температур от 160 К до400 К.3.2 Температурные характеристики МЭ эффекта в структурах с разными ПЭматериаламиТемпературные характеристики резонансного МЭ взаимодействия исследовалисьв двухслойных структурах ПЭ-ФМ составов: PZT-Ni, PZT-Metglas, LGT-Ni, LGTMetglas.Так как абсолютные значения резонансных частот изгибных f1 и продольныхколебаний f2 и соответствующих им МЭ коэффициентов αE1, αE2 у исследованныхструктур довольно сильно разнятся, для удобства сравнения будем пользоватьсяотносительными величинами.Характеризовать изменение частоты в диапазоне температур от T1 до T2 будем спомощью величин δf1 и δf2, определяемых выражением: =2 −1ср∙ 100%, где ср =722 +12, fT1 – резонансная частота при температуре T1, fT2 - резонансная частота притемпературе T2.Коэффициент αE в том же диапазоне будем характеризовать нормированнойвеличиной 1,2 ′ =, где αEmax – максимальный коэффициент в диапазоне температур(T1, T2).На рис.

3.6 показаны измеренные температурные зависимости α1’ и α2’исследованных структур. Видно,что для всех образцов эффективность МЭпреобразования как правило монотонно падает с ростом температуры. Исключениемявляется образец PZT-Metglas, у которого α2’ демонстрирует рост от 0.65 до 1 сувеличением температуры от 200 К до 330 К и лишь затем довольно резко уменьшаетсядо 0.5 при 380 К.PZT-MetglasPZT-Metglas1,01,0PZT-Ni ' 1'PZT-Ni0,50,5LGT-NiLGT-MetglasLGT-MetglasLGT-Ni0,00,0200300400200300400T, KT, Ka)b)Рис.

3.6. Температурная зависимость эффективности МЭ преобразования вструктурах.У образцов PZT-Ni, PZT-Metglas α1’ в исследованном диапазоне температуруменьшается до 0.6 при 350 К, в то время как α1’ структур на основе LGT уменьшается сростом температуры значительно быстрее и при температуре 350 К принимает значениеоколо 0.1. При работе на продольных колебаниях минимальное значение относительнойэффективности α2’ составляло более 0.25 во всём диапазоне температур для всехобразцов. Измеренные зависимости δf1 и δf2 показаны на рис. 3.7а и 3.7b.

У всехструктур наблюдалось монотонное уменьшение резонансной частоты изгибныхколебаний f1 с ростом температуры во всём исследованном диапазоне. Лучшуютемпературную стабильность частоты имеют структуры на основе LGT.73200300LGT-Metglas4000,00,0LGT-MetglasT, K200300-0,5LGT-NiPZT-Ni-1,0PZT-Metglas f2, % f1, %-0,5LGT-NiPZT-Ni400T, K-1,0-1,5-2,0PZT-Metglas-1,5-2,5a)b)Рис. 3.7.

Температурная зависимость относительного изменения резонансной частотыизгибных колебаний структур.Так, у LGT-Metglas f 1 меняется на 0.3% в исследованном диапазонетемператур, у LGT-Ni – на 0.7%, у PZT-NI – на 0.9%, у PZT-Metglas – на 1.5%.Графики δf 2 для структур на LGT демонстрируют рост при увеличении T от 200 Кдо 300 К, достигая максимума, а затем – падение, и лежат в областиположительных значений, в то время как образцы с PZT имеют отрицательныезначения δf 2 .Следует также отметить, что структуры со слоем LGT имеют лучшуютемпературную стабильность частоты на продольных колебаниях, чем наизгибных. Так, у структуры LGT-Metglas частота f 2 меняется на 0.1%, а у LGT-Ni– не более, чем на 0.03%, в то время как у структур со слоем PZT стабильностьчастоты f 1 отличается слабо от стабильности f 2 .На рис. 3.8 и рис.

3.9 приведены измеренные зависимости акустическойдобротности исследованных структур на изгибных (Q 1 ) и продольных (Q 2 )колебаниях. Рис. 3.9 содержит данные для образцов с ПЭ слоями из LGT, рис.3.24 – для PZT.Добротности Q 1 и Q 2 структур с ПЭ слоем из лангатата с увеличениемтемпературы монотонно уменьшаются. Наиболее сильно меняется Q 1 у LGTMetglas: от 6·10 3 при 200К до 1.3·10 3 при 380 К. У этой структуры такженаблюдаетсясильноепадениедобротностипродольныхколебаний:Q274уменьшается с 13·10 3 при 200 К до 3·10 3 при 380 К. Наилучшую температурнуюстабильность имеет Q 2 образца LGT-Ni, меняющаяся в пределах 5·10 3 - 4·10 3 .156LGT-MetglasLGT-Metglas103Q 2 , 10Q 1 , 103425LGT-NiLGT-Ni00200300400200300T, K400T, Ka)b)Рис.