Автореферат (1090252), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Переменное магнитное поле вызывает статическую деформацию ферромагнетика, величина деформации пропорциональна нелинейному пьезомагнитному коэффициентуматериала, с увеличением амплитуды переменного поля деформация растет квадратичнопри малых полях и линейно при больших полях.65. Магнитоэлектрические датчики магнитных полей, работающие без постоянногомагнитного поля смещения, могут быть изготовлены за счет использования в композитнойструктуре магнитных слоев с гистерезисом и за счет использования нелинейного МЭ эффекта смешения магнитных полей в композитных структурах.Апробация работы.
Основные результаты, изложенные в диссертационной работе,были представлены на следующих конференциях: XXII Международная конференция«Новое в магнетизме и магнитных материалах», Астрахань, 2012; Международная конференция «Функциональные материалы» ICFM`2011, Партенит, 2011; Международная конференция «Функциональные материалы» ICFM`2013, Ялта-Гаспра, 2013; V Международная конференция «Функциональная база наноэлектроники», Харьков-Кацивели, 2012; VIМеждународная конференция «Функциональная база наноэлектроники», Алушта, 2013;IX Международная конференция «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Анапа, 2013; IX Международная конференция «European Magnetic Sensors andActuators Conference», EMSA-2012, Прага, 2012.; Международная конференция «MoscowInternational Symposium on Magnetism», MISM 2014, Москва, 2014.; Международная конференция «IEEE International Magnetic Conference», INTERMAG`2015, Beijing, 2015.Публикации.
Результаты исследований опубликованы в 9-ти статьях в международных и российских журналах, входящих в Перечень ВАК, в 5-ти сборниках научныхтрудов, в 6-ти тезисах докладов международных конференций и защищены 2-мя патентами.Личный вклад автора. Автором лично были выполнены измерения упругих иэлектрических параметров пьезоэлектрических и ферромагнитных материалов в зависимости от температуры; измерения частотных, полевых, амплитудных и температурныххарактеристик резонансного МЭ эффекта в композитных структурах; измерения характеристик нелинейных МЭ эффектов в композитных структурах. Автором, совместно с сотрудниками НОЦ "Магнитоэлектрические материалы и устройства" МИРЭА была разработана и изготовлена автоматизированная измерительная установка.
Постановка задач ианализ полученных результатов проведены совместно с руководителем. Измерение характеристик нелинейных МЭ эффектов на структуре состава PZT-Metglas проведено совместно с Л. Ю. Фетисовым. Измерение зависимости намагниченности ФМ материалов отмагнитного поля выполнено в МГУ им. Ломоносова Л. Ю. Фетисовым. Автор участвовалв подготовке материалов к публикации и лично представлял результаты исследований наконференциях.7Структура и объём диссертации. Диссертация содержит введение, пять разделов,список цитированной литературы и приложение. Диссертация изложена на 132 страницахи содержит 89 рисунков.
Библиография включает 111 наименований.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ разделе 1 кратко рассмотрены физические механизмы возникновения МЭ эффектов в кристаллах, объёмных композитах и слоистых композитных структурах, изложены существующие модели широкополосного и резонансного линейных МЭ эффектов.Описаны обнаруженные недавно в композитных структурах нелинейные МЭ эффектыудвоения частоты и сложения магнитных полей. Приведены сведения об устройстве,принципах действия и характеристиках датчиков переменных магнитных полей, использующих линейный МЭ эффект в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик.
Сформулированы цели и задачи исследований.Раздел 2 содержит описание использованных в работе образцов, методик исследования и экспериментальных установок.В подразделе 2.1 обоснован выбор материалов для исследований. В измерениях использовали планарные структуры с размерами в плоскости ~ 5 х 25 мм, содержащие ферромагнитные (ФМ) и пьезоэлектрические (ПЭ) слои толщиной ~20-500 мкм (Рис.1). ФМслои изготавливали из материалов с высокой магнитострикцией: никель (Ni), пермендюр(Fe0.49Co0.49V0.02 - Pd), аморфный сплав Metglas 2605S3A состава FeSiBC (далее – Metglas).ПЭ слои изготавливали из материалов с большим пьезоэффектом: керамика цирконататитаната свинца (Pb0.95Sr0.05)(Zr0.53Ti0.47)O - ЦТС-19 (PZT), монокристаллы лангатата(La3Ga5.5Ta0.5O14 (LGT), производства ОАО “Фомос-материалс”).
ФМ и ПЭ слои структурмеханически соединяли эпоксидным клеем “Loctite-499”, либо слои Ni толщиной до 30мкм электролитически осаждали на электроды ПЭ пластины.H0+h·sin(ωt)u1ФМПЭabРис.1. Внешний вид композитной структуры (a) и геометрия наблюдения МЭ эффекта.(b).8В подразделе 2.2 описаны методы измерения упругих, электромеханических имагнитострикционных характеристик материалов и их зависимости от температуры. Модуль Юнга и акустическую добротность ФМ образцов измеряли методом возбуждения ирегистрации стоячих продольных акустических волн с помощью двух электромагнитныхкатушек в диапазоне частот 1-500 кГц.
Упругие свойства ПЭ образцов определяли по измеренной частотной зависимости электрического импеданса. Магнитострикцию ФМ материалов измеряли с точностью ~ 10−6 в диапазоне полей до 5 кЭ с помощью тензодатчика, наклеенного на поверхность образца.Подраздел 2.3 содержит описание разработанной и изготовленной в работе автоматизированной установки для исследования температурных характеристик МЭ эффектов вкомпозитных структурах методом низкочастотной модуляции магнитного поля. Температуру образца изменяли в диапазоне от 200 К до 400 К путем его обдува потоком газообразного азота с заданной температурой.
Установка содержит (см. рис. 2): сосуд Дьюара сжидким азотом, внутрь которого помещен резистивный испаритель; нагреватель азота,позволяющий изменять температуру потока газа; термоячейку с внутренними размерами 3х 3 х 5 см3 в которой располагаются исследуемый образец и датчик температуры; катушкиГельмгольца, служащие для создания постоянного поля смещения и модулирующего магнитного поля. Управляемый от компьютера термоконтроллер позволял изменять температуру образца по заданному закону и поддерживать ее с точностью 0.2 ºС. При фиксиро-Рис. 2. Внешний вид установки для исследования температурных характеристик МЭэффектов в композитных структурах.9ванных температурах регистрировали зависимости генерируемого структурой напряженияu(f) от частоты возбуждающего поля f ~10 Гц - 2 МГц с амплитудой до h ~10 Э при постоянных полях смещения H ~ 0 – 3 кЭ и зависимости напряжения на постоянной частоте отполя смещения u(H).
Разработанное программное обеспечение в среде LabView позволилосинхронизировать управление температурой с регистрацией амплитудно-частотных характеристик образца и после обработки данных получать зависимости характеристик МЭвзаимодействия от температуры. При исследовании нелинейных МЭ эффектов кструктурe прикладывали два поля с частотами f1 и f2 и амплитудами h1 и h2 и регистрировали выходное напряжение u(f1± f2) на суммарной или разностной частотах. Созданная автоматизированная установка позволила существенно сократить время исследований температурных характеристик МЭ эффектов по сравнению с использованием традиционныхтермошкафов.Раздел 3 посвящён исследованию температурных характеристик резонансного МЭэффекта в композитных структурах.В подразделе 3.1 содержатся результаты исследований характеристик линейных резонансных МЭ эффектов в изготовленных композитных структурах различных составов.
Cистематизированы типы акустических колебаний в структурах прямоугольной формы, приведеныформулы для расчёта эффективных параметров композитных структур и их резонансных частот, выражения, описывающие связь эффективности МЭ преобразования αE в структурах смагнитными, диэлектрическими и акустическими параметрами слоёв.Приведены измеренные частотные зависимости МЭ напряжения в структурах PZTPd, PZT-Ni, PZT-Metglas, LGT-Ni и LGT-Metglas.
Для всех структур наблюдали резонансные пики с амплитудами u1 и u2 на частотах основных мод изгибных (f1) и планарных (f2)акустических колебаний, которым соответствовали резонансные эффективности МЭ преобразования: αE1 и αE2 (. Типичная зависимость МЭ напряжения от ча-стоты для структуры Ni-PZT показана на рис. 3a. Наибольшее значение эффективностиимела структура LGT-Metglas, у которой αE2=450 В/(см·Э), а также PZT-Metglas сαE2=135 В/(см·Э). Структуры c Ni имели значительно более низкую эффективность:αE2=45 В/(см·Э) у LGT-Ni и αE2=3 В/(см·Э) у PZT-Ni.Следует отметить, структуры, содержащие слой LGT, имеют МЭ коэффициент дляпродольных колебаний αE2 в 2.5 раза больше, чем структуры на основе PZT, что обусловлено значительно более высокой добротностью монокристаллического лангатата.10u2500u, Вu, Вu , мВu180,400,03,5f, кГц700H, кЭ3000h, Э8a)b)c)Рис.
3. Зависимости МЭ напряжения u: a - от частоты f при фиксированных полях Hи h; b - от поля H при фиксированных частоте f и поле h; c - от амплитуды переменного поля h при фиксированных f и H.Приведены также измеренные зависимости МЭ напряжения u от постоянного полясмещения H для исследованных структур. В перечисленных структурах с увеличением Hнапряжение возрастало от нуля до максимума при оптимальном поле Hm, соответствующем максимуму пьезомагнитного коэффициента q / H для каждого материала, а затем монотонно падало до нуля с насыщением ФМ слоя (рис.
3b). Оптимальное поле смещения для никеля равнялось Hm = 100 Э, для пермендюра – 260 Э, для Metglas – 6 Э. Вобразцах PZT-Ni и LGT-Ni наблюдали генерацию МЭ напряжения (до 0.6∙Umax) и при H=0,что связано с гистерезисом намагниченности Ni. Описаны измеренные амплитудные характеристики резонансного МЭ эффекта в исследованных структурах на частотах изгибных и продольных акустических колебаний при оптимальных полях смещения. Показано,что при амплитудах возбуждающих полей h < 0.3Hm зависимости u(h) линейны, а затемнасыщаются при h~Hm (рис. 3c).В подразделе 3.2 изложены результаты измерений зависимостей параметров пьезоэлектрических (PZT, LGT) и ферромагнитных (Ni, Metglas) материалов от температуры вдиапазоне 200 – 380 К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
