【摘 要】
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磁电复合结构具有功耗低、体积小、易集成等优点,在微弱磁场探测、无线通信、信息存储等诸多领域表现出良好的应用前景。磁电复合结构谐振频率下的磁电响应比非谐振频率下高几个数量级,但在实际应用中,器件工作频率往往并不在谐振频率附近,且谐振峰通常带宽比较窄,这些因素限制了磁电复合结构性能的发挥。针对以上问题,本文设计和制备了以Ni Ti合金为衬底的磁电复合结构,通过温度场调控Ni Ti合金在低模态马氏体和高
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磁电复合结构具有功耗低、体积小、易集成等优点,在微弱磁场探测、无线通信、信息存储等诸多领域表现出良好的应用前景。磁电复合结构谐振频率下的磁电响应比非谐振频率下高几个数量级,但在实际应用中,器件工作频率往往并不在谐振频率附近,且谐振峰通常带宽比较窄,这些因素限制了磁电复合结构性能的发挥。针对以上问题,本文设计和制备了以Ni Ti合金为衬底的磁电复合结构,通过温度场调控Ni Ti合金在低模态马氏体和高模态奥氏体之间的渐进转变,改变磁电复合结构的力学特性,从而在较宽范围内对器件的谐振频率进行调节,实现谐振点的可控连续变化,并通过将多个磁电单元串并联,以提高器件的响应输出与谐振带宽。首先,分别采用单项性能优异的铌镁钛酸铅(PMN-PT)和铁钴硼硅(Metglas)作为压电相和磁致伸缩相材料,并与Ni Ti合金衬底结合,构建悬臂梁型磁电复合结构。通过COMSOL有限元仿真,探究基于Ni Ti合金衬底马氏体相变的磁电复合结构连续调频性能。仿真结果表明,Ni Ti合金磁电复合结构的温度场可调控性能优异,谐振频率最大调频幅度可达19.09%。此外,深入分析了复合结构参数(衬底厚度、功能层长度等)对器件磁电响应、谐振频率以及调频幅度的影响,并对磁电复合材料的结构进行了优化。在此基础上,采用环氧键合工艺制备了多种尺寸参数的Ni Ti合金衬底磁电复合结构,并对其磁电响应和谐振频率调节性能进行了测试。结果表明,单元磁电复合结构最佳直流偏置磁场为27.548Oe,在谐振频率4960Hz输出响应电压为197.32m V,最大磁电响应系数为1.789 V/cm·Oe。在10℃至65℃温度范围内,单元磁电复合结构的谐振频率可由4540Hz调节至4930Hz,调频幅度为8.81%,连续可调频性能优异。最后,从理论和实验两个方面,研究了多个磁电复合结构单元不同连接方式对输出响应以及响应带宽的影响。测试结果表明,3个单元串联后的磁电输出响应约为单个单元的2.06倍,3个单元并联后谐振频带扩宽54%。此外,通过温度场调节并联结构谐振频率,可以进一步有效扩宽频带,当单元调制温度在30℃、40℃和50℃时,3d B带宽分别提高57.6%、52.3%和88.8%,为未来可调频磁电复合结构阵列的设计和制备打下了基础。
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