专利名称：一种压电材料层串接的磁电层合材料结构的制作方法
一种压电材料层串接的磁电层合材料结构技术领域
本发明属于磁电材料领域，尤其涉及一种基于压电层串接的磁电层合材料结构。
技术背景
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 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]. 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。发明内容
本发明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。
本发明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。
本发明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。
图1是本发明结构图。
图2是图1中压电材料层2的结构示意图。
图3为本发明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，本发明由三层组成，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，本发 明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6mmX 3mmX Imm ；单个压电材 料层4的极化方向为沿着3mm维度的方向，单个压电材料层4之间由高分子粘结剂进行粘 结，且其粘结面为MX H表面，S卩3mmX Imm表面，保证了每片单个压电材料层4的极化方向 一致。
本发明优选最上层的磁致伸缩材料层1的LXMXH规格为12mmX6mmX Imm ；最下 层的磁致伸缩材料层3的规格也12mmX6mmX 1mm。
本发明的磁致伸缩材料层1和3为沿长度方向磁化，压电材料层2沿着长度方向 极化。根据压电材料的有关理论可知，压电材料层2为串接结构时，压电串接层2可获得较 大的输出电压，可表示为U = nU，其中U为压电串接层2的输出电压，η为压电串接层2中 所串接的单个压电材料层4的个数，U为单个压电材料层4的输出电压。
将本发明的输出电极镀在压电材料层2结构的长度两端，由两输出电极导出的 引线接入到测试系统中，设置偏置磁场的强度和交变磁场的频率，通过示波器观察本发 明的电压输出值，通过弹性力学方法建立本发明的理论模型可得出如图3所示的磁电转 换系数与磁电层合材料中不同材料的厚度比关系曲线，由该曲线得出，本发明所达到的 最大磁电转换系数为9. 7V/cm0e，远远高于现有磁电层合材料的磁电转换系数，根据公式 V = af3 χ Z X丑可知，当压电材料层2的长度L与磁场H不变时，较高的磁电转换系数可使 材料具有较高的输出电压，故本发明能够实现较高的电压输出。
权利要求
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( 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，其特征是所述压电材料层O)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⑷的长χ宽χ厚均是6mmX 3mmX 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3mmX Imm表面；磁致伸缩材料层(1)和另一磁致伸 缩材料层C3)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(1、3) 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。
2.根据权利要求1所述的一种压电材料层串接的磁电层合材料结构，其特征是两所 述磁致伸缩材料层(1、；3)与压电材料层O)的厚度相同；两所述磁致伸缩材料层(1、3)采 用铽镝铁合金材料，压电材料层( 采用锆钛酸铅材料，高分子粘结剂采用环氧树脂。
全文摘要
本发明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。本发明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。
文档编号H01L43/00GK102034926SQ20101029738
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者李传崴, 骆英, 鲍丙豪 申请人:江苏大学