实验名称：复合材料的磁电性能和高频谐振响应

　　研究方向：材料测试

　　测试目的：

由于在磁场探测、能量收集等领域具有潜在应用前景，多铁性磁电复合材料已经引起了持续的 　　测试设备：机械夹持装置、ATA-高压放大器、阻抗频谱分析仪、铌酸锂单晶材料、氧树脂或α-氰基丙烯酸乙酯、铁氟龙胶带。

　　图：伸缩-剪切模式磁电复合结构示意图

　　实验过程：

　　将单片尺寸为16mm×5mm×25μm的3,5,10片Metglas薄片分别用环氧树脂粘接成Metglas叠层，从而提高其厚度和磁致伸缩应力。使用尺寸为13mm×5mm×0.5mm的铌酸锂单晶制备Metglas/LiNbO3/Metglas叠层复合材料。伸缩-剪切结构的机械夹持玻璃通过环氧树脂或α-氰基丙烯酸乙酯进行粘接，制备成叠层磁电复合材料，其中使用具有不同压电系数d15(或d16)的铌酸锂xzt/0?,xzt/30?,xyt/0?,xyt/30?,xyt/41?等单晶切型。然后，使用ZJ-6型准静态d33/d31(+d15)测量仪测试铌酸锂的剪切压电系数，使用阻抗频谱分析仪测试铌酸锂的电容和阻抗频谱并计算介电常数。之后，将尺寸为12mm×5mm×1mm的薄磁带放于伸缩-剪切结构磁电复合材料的单侧或两侧各放一片，并通过铁氟龙胶带固定其位置，使用实验室自行搭建的测试系统在1kHz时测试复合结构的磁电系数，并在1kHz—1MHz频率范围内使用ATA-功率放大器测试磁电响应随频率的变化。

　　实验结果：

　　不同粘接层数Metglas/LiNbO3(xzt/0?)伸缩-剪切复合结构分别用环氧树脂和α-氰基丙烯酸乙酯粘接机械夹持玻璃时的磁电系数，图中写明了相应的剪切磁电系数，计算剪切磁电系数的公式为αE15=αE-Clamping?αE-Freedom，其中αE-Clamping表示机械夹持状态测得的伸缩+剪切磁电系数，αE-Freedom表示机械自由状态测得的伸缩磁电系数。图中显示最优直流偏置磁场Hdc随着Metglas薄片层数的上升而上升，这是由于更厚的磁致伸缩层需要更大的直流偏置磁场，而在10层Metglas薄片粘接时需要的直流偏置磁场仍小于Oe(1Oe=79.A/m)，这得益于Metglas在面内方向比传统磁致伸缩材料Terfenol-D拥有更高的磁导率。在5层Metglas粘接时，磁性层厚度和压磁系数的乘积有最优值，此时复合材料具有最大磁电系数。当把机械夹持玻璃的粘接剂换为环氧树脂时，剪切磁电系数从82mV/(cm·Oe)提高到mV/(cm·Oe)，且更换粘接剂使剪切磁电系数在不同层数Metglas的复合材料中均有提高，这是因为环氧树脂比α-氰基丙烯酸乙酯粘接剂具有更高的弹性模量，可以对Metglas向两侧的振动起到更好的抑制效果，使振动能量更多地施加在压电相上。为了证实剪切磁电系数和压电系数的对应关系，通过准静态d33/d31(+d15)测量仪实测了铌酸锂单晶的剪切压电系数d15。结果表明实测剪切压电系数和理论值能够较好符合，铌酸锂xzt/30?切型的最大d15为77pC/N，实测值略小于理论值，是由于购买的正常切型铌酸锂剪切压电系数66pC/N也小于理论值74pC/N。为了研究晶体方向和介电常数的关系，使用阻抗频谱分析测试了铌酸锂的电容。尺寸为13mm×5mm×0.5mm的铌酸锂晶片电容值Cp和频率f的关系，xyt和xzt系列切型铌酸锂在频率为1kHz时的电容值均为90pF，计算得到对应的介电常数εT11为80，与理论结果一致。

　　图：粘接不同层数Metglas伸缩-剪切复合结构磁电系数αE15与直流偏置磁场的关系

　　安泰ATA-高压功率放大器：

　　图：ATA-高压功率放大器指标参数

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