Диссертация (1091174), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Преимуществом слоистых структурявляется то, что в них можно использовать ФМ слои из проводящих ферромагнитных металлов, которые к тому же могут выполнять роль электродовдля поляризации ПЭ слоев структуры. МЭ коэффициент для слоистых композитов определяется по той же формуле (1.4), однако в этом случае в качествеb надо брать толщину ПЭ слоя, поскольку в проводящем ФМ слое электрическое поле отсутствует.Примером может служить работа [24], где методами пленочной керамической технологии были синтезированы двухслойные и многослойные (до20 слоев) композитные структуры с чередующимися слоями их феррита никеля (NFO) и цирконата-титаната свинца (PZT) и получен МЭ коэффициентαE = 400 – 1500 мВ/(см∙Э).
Авторы измерили величину МЭ эффекта в зависимости от частоты, ориентации магнитного поля, числа и толщины слоев ипредложили модель, позволившую качественно интерпретировать результатыизмерений.14За последние годы выполнены многочисленные исследования МЭструктур со слоями различных составов.
Ферромагнитные слои изготавливали из материалов с высокой магнитострикцией λ, таких как металлы Ni [25,26], Co [27], сплавы пермендюр FeCo [28,29], галфенол FeGa [30,31], TerfenolD [32-34], аморфные магнитные сплавы состава FeCoBSi [35-39], никельцинковый феррит NiZnFe2O4) [40-43], феррит кобальта (CoFe2O4) [44].
Пьезоэлектрические слои изготавливали из материалов с большими пьезокоэффициентами d, таких как: керамика цирконата-титаната свинца (1-x)PbZrO3xPbTiO3) - PZT [24,45], кристаллы магниониобата-титаната свинца ((1x)PbNb2/3Mg1/3O3-xPbTiO3) - PMN-PT [45], нитрид алюминия (AlN) [46, 47],лангатат [48], кварц [49], ниобат лития (LiNbO3) [50]. В результате достигнуты эффективности МЭ взаимодействия αE = 0.1 – 20 В/(см∙Э). Результатыэтих исследований суммированы в обзорах [1-6,51].Для теоретического писания МЭ эффектов в композитных структурахиспользуют несколько методов.Первый из них, так называемый "метод эффективных параметров" былпредложен Harshe с соавторами [52] и затем развит в [53] и целом ряде работдругих авторов.
Метод применим когда характерные размеры элементов ФМи ПЭ фаз (размеры частиц или толщины слоев) много меньше размеров образца, можно провести усреднение параметров по некоторому малому физическому объему и затем рассчитывать МЭ характеристики композита используя эффективные параметры материала.Второй метод, описанный, например, в работе [54], предполагает совместное решение уравнений упругости и электродинамики для магнитострикционной и пьезоэлектрической фаз композита (например, для ФМ слоя иПЭ слоя) в отдельности, с учетом реальных условий на границах слоев, отражающих взаимодействие слоев, и условия равновесия структуры в целом.15Этот метод больше подходит для теоретического описания МЭ эффектов вкомпозитных структурах, характерные пространственный размеры которых(например длина волны) сравнимы с размерами структур.Кроме того, для расчета характеристик МЭ эффектов в слоистых структурах применяют метод эквивалентных цепей [55], метод функций Грина [56]и метод свободной энергии [57].Следует отметить также работы, посвященные описанию МЭ эффектовв композитных структурах ограниченных размеров, и учитывающих пространственно неоднородные распределения механических, магнитных и электрических параметров структур [58, 59].1.3 Магнитоэлектрический эффект в структурах металл-пьезоэлектрик,обусловленный силой АмпераВторой способ повышении эффективности МЭ взаимодействия состоитв использовании, по аналогии с описанным в предыдущем разделе, комбинации силы Ампера, действующей на проводник с током, находящийся в магнитном поле, и пьезоэффекта.
Этот подход был впервые описан, по-видимому,в работе [60].Использованная в [60] структура схематически изображена на рисунке1.3 Она содержала кристалл (PMN-PT размерами 1 х 1 х 23 мм3, расположенный между двумя пластинами из проводника (Terfenol-D). Кристалл имелпьезоэлектрический модуль d33 = 20001012 Кл/Н, диэлектрическую проницаемость ε ≈ 4000 и был поляризован перпендикулярно к плоскости. Черезпроводник от внешнего источника пропускали переменный ток I с частотой f= 1 кГц и амплитудой до 100 мА. Магнитное поле H величиной до 1 кЭ прикладывали параллельно плоскости слоев и перпендикулярно току.16Рисунок 1.1 Геометрия МЭ эффекта в структуре металл-пьезоэлектрик,обусловленного комбинацией силы Ампера и пьезоэффекта [60].Под действием силы Ампера проводники притягивались друг к другу,сжимали кристалл и между его электродами генерировалось переменное напряжение V с той же частотой f.На рис.
1.2 приведены зависимости напряжения V от поля H при различных токах через электроды. Видно, что напряжение не превышает 1 мВ,оно увеличивается линейно с полем и наклон кривых возрастает с увеличением силы тока. Эффективность преобразования магнитного поля в электрическое составляла V/(I∙H) ≈ 6.4 мВ/(А∙кЭ) и хорошо совпадала с расчетом.Рисунок 1.2 Зависимость генерируемого напряжения V от поля H приразличных токах I через электроды структуры [60].17МЭ эффект наблюдали также в структуре металл - пьезоэлектрик дисковой формы [61], схематически изображенной на рисунке 1.3.Рисунок 1.3 Геометрия МЭ эффекта, обусловленного силой Ампера, вдисковой структуре металл- PZT диск [61].Использовали PZT диск диаметром 12.7 мм и толщиной 1 мм с электродами на плоскостях, поляризованный перпендикулярно плоскости. Керамикаимела пьезомодуль d31 = −2741012 Кл/Н и относительную диэлектрическуюпроницаемость ε ≈ 3400.
На боковую поверхность диска было приклеено тонкое бронзовое кольцо, по которому от внешнего источника пропускали ток Iс частотой 1 кГц и амплитудой до 300 мА. Под действием силы Ампера коль-Рисунок 1.4 Зависимость генерируемого напряжения датчика V отполя H при различных токах I через электрод структуры [61].18цо сжимало PZT-диск в радиальном направлении и между электродами дискагенерировалось переменное напряжение с той же частотой.На рис. 1.4 показаны зависимости амплитуды напряжения V от поля Hпри различных I. Напряжение растет линейно с увеличением поля и не превышает 18 мкВ в полях до 1 кЭ.
Эффективность преобразования полей составляла 3.3 мВ/(А∙кЭ), т.е. была примерно в ~2 раза ниже, чем у структуры сPMN-PT кристаллом.Наконец, в [62] обнаружен МЭ эффект, возникающий из-за комбинациисилы Ампера и пьезоэффекта в кристалле PMN-PT (см. рис.
1.5). Кристаллимел размеры 15 х 4 х 1 мм3, пьезомодуль d31 = −17401012 Кл/Н, относительную диэлектрическую проницаемость ε ≈ 3900 и был поляризован перпендикулярно к плоскости. К торцам кристалла были приклеены алюминиевые проводники, по которым пропускали ток I с частотой 1 кГц и амплитудойдо 100 мА.
Поле H было направлено перпендикулярно к плоскости кристалла.Действующие на проводники силы Ампера сжимали кристалл и между егоэлектродами генерировалось переменное напряжение V. На рис. 1.6 показанызависимости напряжения V от поля H при различных токах. Благодаря ис-Рисунок 1.5 Геометрия наблюдения МЭ эффекта, обусловленного комбинацией силы Ампера и пьезоэффекта, в ПЭ стержне [62].19пользованию PMN-PT кристалла с высоким пьезомодулем, удалось повыситьРисунок 1.6 Зависимость выходного напряжения, генерируемого PMNPT кристаллом, от поля H при различных токах I [62].эффективность преобразования полей на порядок – до 23 мВ/(А∙кЭ).Таким образом, первые работы продемонстрировали возможности наблюдения МЭ эффектов, обусловленных комбинацией силы Ампера и пьезоэффекта, в структурах различной геометрии.
Однако величина эффекта оказалось малой, явно недостаточной для применений. что стимулировало дальнейшие исследования в этом направлении.1.4 Резонансный магнитоэлектрический эффектВеличина напряжения u, генерируемого при прямом МЭ эффекте композитной структурой, пропорциональная деформации ПЭ слоя структуры.Отсюда следует, что при возбуждении структуры переменным полем, частотаf которого совпадает с частотой какого-либо акустического резонанса структуры fr, величины деформации существенно возрастают и должно наблюдаться "усиление" МЭ эффекта.
Это явление было экспериментально обнаружено20в работах [63,64] при возбуждении композитных структур на частоте продольного акустического резонанса. На рисунке 1.7 в качестве примера приведена зависимость МЭ коэффициента для двухслойного дискового резонатораРисунок 1.7 Частотная зависимость МЭ коэффициента для дискового NFO-PZT резонатора [63].феррит никеля – цикронат-титанат свинца (NFO-PZT) диаметром 10 мм итолщиной 0.4 мм, от частоты возбуждающего переменного магнитного поля.Видно, что величина МЭ коэффициента возрастает от αE ≈30 мВ/(см-Э) вдали от резонанса до αE ≈ 1.2 В/(см-Э) на частоте резонанса первой моды радиальных колебаний ~350 кГц диска.
Построенная в [63,65-66] теория резонансного МЭ эффекта в композитных структурах предсказывает выполнениесоотношения.(1.5)То есть, величина резонансного МЭ эффекта примерно в Q (акустическаядобротность структуры) раз больше, чем нерезонансного эффекта. Анало-21гичное резонансное усиление МЭ эффекта затем наблюдали в слоистыхструктурах различной формы и различных составов при возбуждении планарных, изгибных и высокочастотных мод акустических колебаний [67-68].Установлено, что эффективность МЭ взаимодействия в условиях резонансапропорциональна произведению акустической добротности структуры, пьезомагнитного модуля ФМ слоя и пьезоэлектрического ПЭ модуля.Можно ожидать, что подобное "усиление" должно иметь место и дляМЭ эффекта, возникающего в структурах металл-пьезоэлектрик и обусловленного силой Ампера, при их возбуждении на частотах акустических резонансов.1.5 Выводы по разделу 1Таким образом, к началу работы над диссертацией были достаточно хорошо как экспериментально, так и теоретически изучены МЭ эффекты вслоистых композитных структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик, обусловленные магнитострикцией ФМ слоя структуры, и появились первые работы,демонстрирующие существование в структурах металл-пьезоэлектрик МЭэффекта, обусловленного силой Ампера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
