本发明涉及一种具有磁电耦合效应的复合材料及其制备技术，特别涉及一种具有共振模式可调的磁电耦合复合材料及其制备方法。
背景技术：
复合磁电材料是具有磁电耦合效应的材料，其具有良好的磁能与电能的转化功能，在外加磁场或者是外加电场的作用下分别产生电极化或者磁化。将磁电材料制备成磁电功能器件，可应用于磁场和电场传感、磁电信息存储、电流检测、微波泄漏检测等技术领域，具有体积小、磁能与电能转换效率高、易于集成、易于多功能化设计等优点，因此，开发具有大磁电效应的磁电材料及器件一直以来受到人们的重视。
复合磁电材料是由铁电相和铁磁相复合形成，其中的铁电相和铁磁相本身不具有磁电耦合效应，但两者复合后，通过两相界面应力为媒介的“乘积相互作用”可以使铁电-铁磁共存体系在室温下产生明显的磁电耦合效应。通过磁电耦合系数对磁电效应的强弱进行表征，其定义为αE＝dE/dH，其中，E为材料的电场输出，H为所施加的外部磁场。一直以来，经过人们的不懈努力，现如今已经发展了多种连通型结构和耦合方式的复合磁电材料。如2-2型层状复合磁电材料Terfenol-D/PZT、0-3型的CoFe2O4/PZT复合材料，等等。但大部分的复合材料的磁电耦合系数在mV/cm·Oe的数量级。后来人们发现在共振耦合的模式下，复合磁电材料的磁电耦合系数可以有明显的增加。如M.I.Bichurin等[M.I.Bichurin，D.A.Filippov，et.al.Resonance magnetoelectric effects in layered magnetostrictive-piezoelectric composites.PHYSICAL REVIEW B 2003，68：132408-1-132408-4.]报道的NiFe2O4/PZT共烧磁电复合材料圆片在一阶横向共振频率320kHz时的磁电电压系数可达23V/cm·Oe。专利ZL03132167.4报道的纵向耦合模式下的磁电复合材料矩形片在一阶纵向共振频率约60kHz时的磁电电压系数也达到了8.7V/cm·Oe，等等。尽管人们实现了在共振模式下的磁电效应的增强，但是其共振模式单一，无法进行有效的调控，不利于多频器件的发展。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述复合磁电材料的共振模式单一的不足，提供一种具有共振模式可调的磁电耦合复合材料及其制备方法,其结构新颖，制备工艺简单，旨在通过对共振模式的调控，为多频器件的理论和发展做出贡献。
本发明是这样实现的。它主要由负磁致伸缩材料镍片、压电材料PZT、正磁致伸缩材料Terfenol-D(Tb1-xDyxFe2)和基面组成，在压电材料PZT的正面粘接有正磁致伸缩材料Terfenol-D，在其反面粘接有负磁致伸缩材料镍片，再将压电材料PZT的任一端垂直固定在基面上，形成一种悬臂梁结构；正、负磁致伸缩材料的厚度比为1:0.4～2，其中Terfenol-D磁致伸缩沿长度方向，PZT的极化沿厚度方向，镍磁致伸缩沿长度方向。
所述的正、负磁致伸缩材料的厚度比为1:0.4，或者为1:1，或者为1:2。
所述的基面材料为金属，或者玻璃，或者塑料。
所述的粘接用粘合剂为环氧树脂。
其制备方法具体包括以下步骤：
步骤一：用玻璃制备一个具有T型结构的支架。
步骤二：选取尺寸相同的正磁致伸缩材料Terfenol-D和负磁致伸缩材料镍片各一片，再选取两端尺寸大2.5～5mm的PZT片，先使用粘合剂将正磁致伸缩材料Terfenol-D和压电材料PZT粘合在一起，两端留出空白，然后再将负磁致伸缩材料镍片用环氧树脂粘合剂粘在PZT的反面，并与正面的Terfenol-D对应，其中正磁致伸缩材料Terfenol-D与负磁致伸缩材料镍片的厚度比为1:0.4～2。
步骤三：将步骤二中的样品，粘到步骤一制得的T型结构的一个基面上，或者其他基面上，放置晾干后，形成一种悬臂梁结构的共振模式可调的磁电耦合复合材料。
粘合时，其中Terfenol-D磁致伸缩沿长度方向，PZT的极化沿厚度方向，镍磁致伸缩沿长度方向。
采用本发明可以达到以下技术效果：
(1)获得价格低廉的磁电耦合复合材料：本发明所采用的镍片、压电材料PZT、稀土合金Terfenol-D，粘合剂环氧树脂均已经产业化，且制备工艺简单。
(2)获得性能可调的磁电耦合复合材料：在准静态的偏置磁场的条件下，随着正负磁致伸缩材料稀土合金Terfenol-D与镍片的厚度比的不同，实现其磁电耦合性能的调控。
(3)获得共振模式可调的磁电耦合复合材料：随着正负磁致伸缩材料稀土合金Terfenol-D与镍的厚度比的不同，可进一步调控其共振模式。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明悬臂梁结构的磁电耦合复合材料的实物图。
图3是在高偏置磁场400Oe下，磁电耦合复合材料Terfenol-D/PZT/Ni在悬臂梁结构下磁电耦合系数随频率变化的关系图。其中f1b,f2b,f3b分别为一阶、二阶、三阶弯曲振动模式峰值对应的频率，f1l,f2l,f3l分别为一阶、二阶、三阶弯曲振动模式峰值对应的频率。
图4是在低偏置磁场-50Oe下，复合磁电材料Terfenol-D/PZT/Ni在悬臂梁结构下磁电耦合系数随频率变化的关系图。
具体实施方式
实施例
该磁电耦合复合材料保持Terfenol-D的厚度为0.5mm不变，Ni厚度分别为0.2mm、0.5mm、1mm，制备正、负磁致伸缩层(Terfenol-D与Ni)厚度比分别保持为1:0.4、1:1、1:2的三种样品。
步骤一：取两块载玻片，其中一块用玻璃刀切为长15mm,宽5mm,厚度为1mm，即尺寸为15mm×5mm×1mm的长条状，然后通过使用环氧树脂将切得的长条状玻璃片垂直地粘在另一块载玻片上，形成一个T型结构，放置48小时晾干，共做3个。
步骤二：将尺寸为20mm×5mm×1mm的PZT与尺寸为15mm×5mm×0.5mm的Terfenol-D用环氧树脂粘合剂粘合在PZT的正面，其中PZT的两个端头分别留有2.5mm的空出部分，然后将尺寸为15mm×5mm×0.2mm、15mm×5mm×0.5mm、15mm×5mm×1mm的镍片分别用环氧树脂粘合剂粘在PZT的反面，并与正面的Terfenol-D对应，制成厚度比分别为1:0.4、1:1、1:2的三个样品，放置48小时晾干。
步骤三：将步骤二制备得到的样品，用环氧树脂粘合到步骤一的T型玻璃结构上，然后放置晾干，最后制得图1所示的悬臂梁式Terfenol-D/PZT/Ni层状磁电耦合复合材料的样品。
对上述方法所制得的样品施加400Oe的高偏置磁场，得到图3所示Terfenol-D/PZT/Ni在悬臂梁结构下磁电耦合系数随频率变化的关系图。其中正磁致伸缩层Terfenol-D厚度为0.5mm，负磁致伸缩层Ni厚度为0.2mm、0.5mm、1mm，使得正负磁致伸缩层厚度比分别为1:0.4、1:1、1:2。在悬臂梁结构下，层状复合磁电结构出现了六个共振峰，其中包括三个弯曲振动峰，三个长度振动峰。当Ni厚度为0.5mm即正负磁致伸缩层厚度比为1:1时，二阶弯曲振动峰达到最大值，磁电耦合系数为1.38V/cm·Oe，一阶弯曲振动峰大幅度降低，当Ni厚度为1mm即正负磁致伸缩层厚度比为1:2时，一阶弯曲振动峰达到最大值，磁电耦合系数为1.34V/cm·Oe，且二阶弯曲振动强度大幅度降低。在高偏置磁场下，正磁致伸缩层Terfenol-D的磁致伸缩效应远大于负磁致伸缩层Ni的磁致伸缩效应，因而在PZT和磁性层的层间耦合主要发生在Terfenol-D/PZT界面，磁电电压信号由该界面耦合主导，而下表面的Ni层对磁电耦合信号的贡献很小，而又因为其和PZT层粘接在一起，Ni层所表现出的负磁致伸缩效应会压缩PZT层，形成一定的夹持作用，减弱长度振动耦合；随着Ni厚度的增加，夹持效应随之增强，而夹持效应有助于增强低频共振强度尤其是弯曲振动，降低高频共振强度。所以，在高偏置磁场下，具有悬臂梁结构的磁电复合材料出现多频共振，且通过改变正负磁致伸缩层厚度比可以调控不同振动模式的振动强度，随着负磁致伸缩层Ni厚度的增加，低频弯曲振动增强。
与上面表述不同的是，图4是在低偏置磁场-50Oe下，磁电耦合复合材料Terfenol-D/PZT/Ni在悬臂梁结构下磁电耦合系数随频率变化的关系图。其中正磁致伸缩层Terfenol-D厚度为0.5mm，负磁致伸缩层Ni厚度为0.2mm、0.5mm、1mm，正负磁致伸缩层厚度比分别为1:0.4、1:1、1:2。在低偏置磁场下，层状磁电复合结构同样出现了六个共振峰，其中包括三个弯曲振动峰，三个长度振动峰，峰值位置与高偏置磁场下测得的一致。随着负磁致伸缩层Ni厚度的增加，共振峰都向高频移动。当Ni厚度为0.2mm即正负磁致伸缩层厚度比为1:0.4时，一阶弯曲振动强度与一阶长度振动强度都比较大；当Ni厚度为0.5mm即正负磁致伸缩层厚度比为1:1时，二阶弯曲振动强度达到最大，磁电耦合系数为0.75V/cm·Oe；当Ni厚度为1mm即正负磁致伸缩层厚度比为1:2时，共振峰强度都大幅度降低。在低偏置磁场下，Terfenol-D与Ni的磁致伸缩效应强度相当，此时两者的磁致伸缩效应相互竞争。正负磁致伸缩层厚度比为1:0.4时，Terfenol-D的磁致伸缩效应强于Ni的，此时Ni层对PZT主要起夹持作用；正负磁致伸缩层厚度比为1:1时，Terfenol-D与Ni的磁致伸缩效应相当，导致长度方向的伸缩振动大幅度降低，但是二阶弯曲振动强度提高；正负磁致伸缩层厚度比为1:2时，Terfenol-D的磁致伸缩效应弱于Ni的磁致伸缩效应，此时Ni的负磁致伸缩特性对PZT层起压缩作用，抑制了所有的高频共振模式，只有一阶弯曲共振峰有较大强度。
从上述中我们可以知道在悬臂梁结构下的层状复合磁电结构Terfenol-D/PZT/Ni六个共振频率，其中包括三个弯曲共振频率，三个长度共振频率。在偏置磁场的作用下，随着正负磁致伸缩层厚度比的不同，其共振模式也会发生变化：高偏置磁场400Oe下，正负磁致伸缩层厚度比为1:1时，二阶弯曲振动强度达到最大，一阶弯曲振动强度大幅度降低；正负磁致伸缩层厚度比为1:2时，一阶弯曲振动强度达到最大，而其它的共振峰强度都大幅度降低；低偏置磁场-50Oe下，正负磁致伸缩层厚度比为1:0.4时，一阶弯曲振动与一阶长度振动模式的振动幅度都比较大；正负磁致伸缩层厚度比为1:1时，二阶弯曲振动强度达到最大；正负磁致伸缩层厚度比为1:2时，一阶弯曲振动有最大强度值，其它的共振峰强度都大幅度降低。
因此，我们可以得到结论：在具有悬臂梁结构的层状磁电耦合复合材料中，通过改变正负磁致伸缩材料的厚度比，可以对复合磁电材料的共振模式实现有效的调控。
以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。例如对于正磁致伸缩材料以及负磁致伸缩材料，作为举例仅说明了Terfenol-D和Ni，可以换成其他的正磁致伸缩和负磁致伸缩材料，如磁致伸缩效应的metglas、铁氧体材料等，对于压电材料，作为举例仅仅说明了PZT这种压电材料，同样可以更换为其他的钛酸钡、钛酸铅、铌镁钛酸铅等压电材料。而对于T型结构，作为举例仅例举了玻璃，它也可以换做其他一些硬度较好的材料，如金属材料等。