一种利用退火法制备的功能梯度磁电发射天线

本发明涉及低频长波通讯领域，尤其涉及一种利用退火法制备的功能梯度磁电发射天线。

背景技术：

1、天线是电磁波通讯过程中的关键部件，通常可以根据辐射机理的差异分为传统天线和机械天线。传统天线的工作依赖于电磁波共振，其尺寸与波长相当，以保持最佳性能。而应用于水下通讯的低频通讯技术的天线则需要巨大的尺寸，推动水下天线装置发展的关键之处是装置的小型化。磁电材料基于磁电效应，能够实现磁信号与电信号双向转换，逆磁电效应可以辐射电磁波。基于声波谐振工作的磁电天线也更易实现小型化。通常磁致伸缩材料需要施加一定的直流偏置磁场才能发挥较好性能，因此磁电天线工作时需要一定的外加直流偏置磁场，但是外加偏置会带来体积大、增加噪声等问题。所以磁电天线的自偏置以及较优的辐射性能迫切需要解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述不足，本发明提供了一种利用退火法制备的功能梯度磁电发射天线。本发明所述功能梯度磁电发射天线基于声波激励式磁电天线新原理，结合两种不同磁致伸缩材料组成的功能梯度结构之间的磁相互作用可以实现自偏置工作，自偏置即无需外加直流偏置磁场，减小体积，实现低频通信系统的突破，具有自偏置、尺寸小、能耗低、辐射效率高等优点。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种功能梯度磁电发射天线，包括压电层和磁致伸缩层；所述磁致伸缩层包括磁致伸缩层ⅰ、磁致伸缩层ⅱ、磁致伸缩层ⅲ和磁致伸缩层ⅳ；所述磁致伸缩层ⅱ设置在压电层的上表面，所述磁致伸缩层ⅲ设置在压电层的下表面；所述磁致伸缩层ⅰ设置于磁致伸缩层ⅱ远离压电层的一侧；所述磁致伸缩层ⅳ设置于磁致伸缩层ⅲ远离压电层的一侧；所述压电层与磁致伸缩层之间通过环氧树脂粘结。

4、进一步地，所述磁致伸缩层ⅰ、磁致伸缩层ⅱ、磁致伸缩层ⅲ和磁致伸缩层ⅳ均包含两个及以上磁致伸缩原料层。

5、进一步地，所述磁致伸缩层ⅰ、磁致伸缩层ⅳ的各原料层均经过退火处理；所述磁致伸缩层ⅱ、磁致伸缩层ⅲ的各原料层均未经过退火处理。

6、进一步地，所述退火处理是将退火炉预热到20～30℃，将各原料层分别置于退火炉，以1～5℃/min加热至400℃～500℃，保温10～20min，然后自然冷却。

7、进一步地，本发明对退火参数进行了优化，在马弗炉中进行退火处理，退火气氛为大气环境，起始温度为25℃，升温速度为5℃/min，退火温度分别为400℃、425℃、450℃、475℃和500℃，保温时间为20min，随后自然冷却。

8、进一步地，所述磁致伸缩材层之间通过环氧树脂粘结。

9、进一步地，所述功能梯度是通过将退火和未退火的磁致伸缩层粘结得到，包括磁致伸缩层ⅰ、磁致伸缩层ⅱ形成功能梯度结构ⅰ；磁致伸缩层ⅲ、磁致伸缩层ⅳ形成功能梯度结构ⅱ。

10、进一步地，所述磁致伸缩原料层的材料包括terfenol-d、fega、metglas中的一种；优选地，所述磁致伸缩原料层的材料为metglas。

11、进一步地，所述磁致伸缩层ⅰ与磁致伸缩层ⅳ远离压电层的表面均通过银浆引出导线。

12、进一步地，所述压电层的材料包括锆钛酸铅基压电材料、铌镁酸铅基压电材料、钛酸钡基压电材料、铌酸钾钠基压电材料中的一种；优选地，所述压电层的材料为锆钛酸铅基压电材料。

13、进一步地，所述压电层的材料为pzt-5。

14、一种所述功能梯度磁电发射天线的制备方法，包括如下步骤：

15、(1)配置环氧树脂，备用；

16、(2)将步骤(1)制备的环氧树脂涂覆在磁致伸缩原料层之间，固化后，得到磁致伸缩层ⅱ和磁致伸缩层ⅲ；

17、(3)取磁致伸缩原料层进行退火热处理后，将步骤(1)制备的环氧树脂涂覆在磁致伸缩原料层之间，固化后分别得到磁致伸缩层ⅰ和磁致伸缩层ⅳ；

18、(4)将磁致伸缩层ⅱ与磁致伸缩层ⅲ用环氧树脂分别粘结在压电层的上下两侧，然后将磁致伸缩层ⅰ用环氧树脂粘结在磁致伸缩层ⅱ的表面，将磁致伸缩层ⅳ用环氧树脂粘结在磁致伸缩层ⅲ表面，抽真空除去多余环氧树脂，固化，得到复合结构；

19、(5)在步骤(4)制备的复合结构的上下表面涂覆导电银浆层，将导线从导电银浆层中引出，得到功能梯度磁电发射天线。

20、本发明有益的技术效果在于：

21、本发明设计的功能梯度磁电发射天线，将压电材料与磁致伸缩材料通过环氧树脂粘结层叠在一起，通过压电材料的逆压电效应与磁致伸缩材料的压磁效应的组合，在压电材料两端施加特定频率驱动电压，通过其逆磁电效应实现电能-机械能-磁转换，引发磁性层磁化振荡，产生时变磁场，时变磁场与时变电场相互转化，实现电磁波的辐射。

22、进一步地，本发明提出了使用退火工艺对磁致伸缩材料进行热处理，同时将其与未退火处理的磁致伸缩材料进行复合，通过不同磁致伸缩材料组成的功能梯度结构之间的磁相互作用实现自偏置效果，克服了外加直流偏置场带来的体积大、增加噪声等问题。

23、本发明所设计的功能梯度磁电发射天线，在实现自偏置条件下，在相同功率驱动下，与同尺寸电小天线相比，辐射强度提升了25倍。

技术特征：

1.一种功能梯度磁电发射天线，其特征在于，所述功能梯度磁电发射天线包括压电层和磁致伸缩层；所述磁致伸缩层包括磁致伸缩层ⅰ、磁致伸缩层ⅱ、磁致伸缩层ⅲ和磁致伸缩层ⅳ；所述磁致伸缩层ⅱ设置在压电层的上表面，所述磁致伸缩层ⅲ设置在压电层的下表面；所述磁致伸缩层ⅰ设置于磁致伸缩层ⅱ远离压电层的一侧；所述磁致伸缩层ⅳ设置于磁致伸缩层ⅲ远离压电层的一侧；所述压电层与磁致伸缩层之间通过环氧树脂粘结。

2.根据权利要求1所述的功能梯度磁电发射天线，其特征在于，所述磁致伸缩层ⅰ、磁致伸缩层ⅱ、磁致伸缩层ⅲ和磁致伸缩层ⅳ均包含两个及以上磁致伸缩原料层。

3.根据权利要求2所述的功能梯度磁电发射天线，其特征在于，所述磁致伸缩层ⅰ、磁致伸缩层ⅳ的各原料层均经过退火处理；所述磁致伸缩层ⅱ、磁致伸缩层ⅲ的各原料层均未经过退火处理。

4.根据权利要求3所述的功能梯度磁电发射天线，其特征在于，所述退火处理是将退火炉预热到20～30℃，将各原料层分别置于退火炉，以1～5℃/min加热至400℃～500℃，保温10～20min，然后自然冷却。

5.根据权利要求1所述的功能梯度磁电发射天线，其特征在于，所述磁致伸缩材层之间通过环氧树脂粘结。

6.根据权利要求2所述的功能梯度磁电发射天线，其特征在于，所述磁致伸缩原料层的材料包括terfenol-d、fega、metglas中的一种；优选地，所述磁致伸缩原料层的材料为metglas。

7.根据权利要求1所述的功能梯度磁电发射天线，其特征在于，所述磁致伸缩层ⅰ与磁致伸缩层ⅳ远离压电层的表面均通过银浆引出导线。

8.根据权利要求1所述的功能梯度磁电发射天线，其特征在于，所述压电层的材料包括锆钛酸铅基压电材料、铌镁酸铅基压电材料、钛酸钡基压电材料、铌酸钾钠基压电材料中的一种；优选地，所述压电层的材料为锆钛酸铅基压电材料。

9.根据权利要求1所述的功能梯度磁电发射天线，其特征在于，所述压电层的材料为pzt-5。

10.一种权利要求1-9任一项所述功能梯度磁电发射天线的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

技术总结
本发明涉及一种利用退火法制备的功能梯度磁电发射天线。本发明所述功能梯度磁电发射天线包括压电层和磁致伸缩层；所述磁致伸缩层包括退火处理的磁致伸缩层Ⅰ、未退火处理的磁致伸缩层Ⅱ、未退火处理的磁致伸缩层Ⅲ和退火处理的磁致伸缩层Ⅳ，所述磁致伸缩层Ⅰ和磁致伸缩层Ⅱ设置在压电层上侧，所述磁致伸缩层Ⅲ和磁致伸缩层Ⅳ设置在压电层下侧，所述压电层与磁致伸缩层之间通过环氧树脂粘结。本发明所述功能梯度磁电发射天线基于声波激励式磁电天线原理，结合两种不同磁致伸缩材料组成的功能梯度结构之间的磁相互作用实现自偏置工作，无需外加直流偏置磁场，具有自偏置、尺寸小、能耗低、辐射效率高等优点。

技术研发人员：汪尧进,符士锋,吴瀚舟,程佳伟,蒋涛,宋雅婷,房泽
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13