基于德拜模型的电容型磁阻抗效应研究

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随着复合材料的发展,“压电-磁致伸缩”作为磁电复合材料其磁电耦合效应的研究在近年内取得了快速进展,尤其随着研究人员对磁-力-电耦合物理本质的认识,磁电复合材料的研究逐渐从材料物理性能向材料的器件性能方向发展。如在磁场调节下的压电换能器可解决换能器因自身及外界因素所造成的谐振频率偏移及阻抗不匹配等问题,确保换能器的工作效率及稳定性。磁电容、磁阻抗传感器的研究也为低磁场探测提供了设计基础。磁电容、磁阻抗传感器的原理是磁场调节下的磁阻抗、磁电容效应,由于磁阻抗效应与磁电容效应之间存在着一定的关系,所以可以用磁阻抗的变化来研究磁电容的变化,同时也可以用磁电容的变化来验证磁阻抗的变化趋势。本文从两个方面研究磁阻抗效应。(1)磁阻抗的变化不仅与磁电复合振子的材料有关,还和压电相的极化方向有着很大的关系,所以我们从理论和实验两方面研究了室温下压电体极化方向对磁电复合振子的磁阻抗效应的影响;(2)实验发现磁致伸缩相的退磁因子同样影响着复合振子的磁阻抗效应,所以我们设计了4种磁电复合结构,研究退磁因子对磁阻抗效应的影响。具体的研究内容如下:(1)磁电复合振子的磁阻抗效应和压电相的极化方向有着密不可分的关系,本文实验上采用三明治结构的磁电复合振子,压电体选取锆钛酸铅Pb(Zr(1-x)Tix)O3(PZT),磁致伸缩相选取Tb(1-x)DyxFe2-y(TDF)。从长度极化、厚度极化的压电体和横向磁化的磁致伸缩相复合出发,实验研究了长度极化、厚度极化的磁电复合振子在谐振频率下的磁阻抗和磁电容随磁场的变化。实验表明,压电相长度极化的磁电复合振子的磁阻抗远大于厚度极化的磁电复合振子的磁阻抗。(2)在压电极化理论中,洛伦兹(Lorentz)模型和德拜(Debye)模型通常用来解释压电体的介电常数随频率的变化规律,本文以Debye模型为基础,依据压电方程和复合振子波动方程理论研究了厚度极化的压电/磁致伸缩复合振子的磁阻抗效应,解释了长度极化压电/磁致伸缩复合振子的磁阻抗远大于厚度极化压电/磁致伸缩复合振子磁阻抗的原因,并研究了在谐振频率下压电相极化方向对磁电复合振子磁分辨率的影响。利用Matlab编程数值模拟了电容和磁场的关系,实验结果与模拟基本吻合。(3)实验设计了4种磁电复合振子模型,主要分为双层磁电复合结构和三层磁电复合结构,其中压电相都是沿长度方向极化,磁致伸缩相的尺寸不同(退磁因子不同),研究了退磁因子对磁阻抗效应的影响。实验结果显示,无论是双层磁电复合振子还是三层磁电复合振子,退磁因子越大磁电复合振子的磁阻抗越小。
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