层状磁电复合材料机理研究及器件设计
磁电复合材料是一种由铁磁相材料与铁电相材料所组成的功能材料，由于该材料的磁电效应能够实现电能与磁能的相互转换，因而被广泛的应用于传感器、俘能器、存储器、射频天线等器件中，受到了众多研究学者的关注。目前，针对磁电复合材料的相关研究主要集中于提高磁电耦合系数，而对于其在多物理场下的磁滞逆磁电效应研究较少。此外，关于磁场传感器和俘能器的研究设计工作仍不够深入。针对以上研究所存在的不足，本文开展了以下工作：首先，基于已有磁致伸缩材料一维非线性力磁热耦合本构方程，结合J-A 磁滞模型，并引入Weiss分子场和磁能方程，推导了考虑钉扎损耗的磁化方程；同时考虑了层状磁电复合结构在电场作用下的应力耦合作用，建立了双层磁电复合材料在逆磁电效应下的磁滞理论模型。根据磁滞理论表达式建立了双层磁电复合结构的三维有限元仿真模型，并对模型的有效性进行了验证。而后利用模型预测并分析了外加电场、温度和应力等因素对磁滞回线和应变回线的影响。 随后，根据磁致伸缩材料与压电材料的本构方程，考虑层状磁电复合结构的应变位移方程、动态平衡方程和边界条件，利用有限元仿真软件建立了层状磁电复合结构的有限元仿真模型，并将仿真结果与实验结果相对照以证明模型的可靠性。在此基础上改变层状磁电复合结构的几何构型和尺寸，计算并分析了三层结构、双层结构、层状交错结构、矩形哑铃状结构和梯形哑铃状结构的磁电响应及磁场灵敏度，该结果可以为直流磁场传感器的设计提供指导。 最后，在三层磁电复合结构模型的基础上对环状结构进行了分析，计算了嵌套环状结构和叠层环状结构的磁电系数，并比较了不同磁致伸缩材料与压电材料的复合对磁电系数的影响。而后基于环状结构的仿真结果设计了一种振动式磁电俘能器，其核心部件选用三层嵌套环状磁电复合结构，该俘能器能够将外界环境中的机械能转换为电能输出，且具有结构简单、供能稳定、绿色无污染等特点，可被应用于自供能器件。
层状磁电复合材料;环状结构;磁电效应;磁滞特性
中国计量大学
硕士
控制工程
周浩淼;方燕群
2019
中文
TB33
2020-04-16（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）