物理科学与技术学院

王巍

Email: wangwei1@njnu.edu.cn

多铁性材料的磁电耦合研究

Laboratory of Solid State Microstructure, Nanjing University, Nanjing 210093, China

文玉梅，重庆大学光电学院，教育部光电技术及系统重点实验室

刘俊明

王博文，河北工业大学，电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室

Nian X. Sun, 孙 年 祥 ， Northeastern University, Boston, Massachusetts,USA

多铁性材料

Ce-Wen Nan，et.al, Adv. Mater. 2011, 23, 1062

.

铁磁性

磁电耦合

铁电性

磁电传感器

内容：

1.多铁性材料

2.磁-力-电耦合

3.磁场调控复合材料介电性能

4.复合材料磁电耦合应用前景

多铁性

多铁性：铁电、铁磁、铁弹性。

多铁性序参量之间具有相互耦合作用，磁电耦合是其中一种。

多铁性材料

单相Cr2O3 薄膜BiFeO3

多铁性材料

磁电复合材料

• 单相材料：磁电耦合弱，且温度低

• 薄膜或异质结：外延生长的BiFeO3

• 磁电复合材料：磁致伸缩材料与压电材料复合

• 磁电耦合效应

• 磁-力-电耦合效应

磁-力-电耦合

磁电耦合：磁致伸缩材料与压电材料复合

电场

机械应变

机械应变

磁场正磁电效应

磁场

机械应变

机械应变

电场逆磁电效应

磁电耦合的本质：乘积效应，磁-力-电耦合

压电材料：BTO, PZT, PMN-PT， PVDF

磁致伸缩材料：Tb1-xDyxFe2 (Terfenol-D) ， metglass, Fe, Co, Ni

and alloys

磁调控复合振子谐振频率偏移

磁场调控的介电性能

谐振频率和导纳随磁场变化

Scientific Reports, 3, 1985 (2013)

非线性变化

线性变化

J. Appl. Phys. 114, 064101 (2013)

51（6），2015

磁电复合材料的磁电耦合,利用压电效应和磁致伸缩效应。

基本原理：

磁调频率机理： 应力改变了磁电复合材料杨氏模量，进而引起振子谐振频率变化。

磁控谐振频移的机制

压电材料和磁致伸缩材料的本构方程组、弹性动力学方程及边界条件：d-型

02

r

ppp

r

p

r

p

r

TT

r

T

3311211 EdTsTsS ppp

r

pp

r

p

3311112 EdTsTsS ppp

r

ppp

33331313 ETdTdD ppp

r

ppp

1 11 1 11

m m B m mS s T q H

C. Israel, et.al., Appl. Phys. Lett. 95, 072505 (2009) x

T

t

u m

x

mm

1

2

2

2 2

11 1211 11

11

( ) ( )m mm B m q H q Hs s

u

Sensors and Actuators A 166 (2011) 48

2 2

11 1211 11

11

( ) ( )m mm B m q H q Hs s

u

2 2

11 1211 11

11

( ) ( )m mm B m q H q Hs s

u

0f 0 HfHf

TDF体积分数为76.2%

讨论 v

l

nl

n2

f

11

1

Sv

5,3,1n

l 为复合材料的长度

波速

11

2

12

2

111111

)()(

HqHqSS

mmBm

TDF 66% TDF体积分数为76.2%

TDF %8.42

复合材料磁电耦合应用前景

超声换能器的固定频率设计带来问题

宽带水声换能器应用

地磁传感器和电场调控磁机共振频率 ferromagnetic resonance frequencies (FMR)

磁控超声换能器的固定频率electromechanical resonances �（EMRS）

压电陶瓷

压电换能器系统有其固有的谐振频率，当输入电讯号的频率接近固有谐振频率时，压电换能器产生机械谐振的振幅最大 。

（1）谐振频率漂移及阻抗变化

1.超声换能器的固定频率设计带来问题

谐振漂移和阻抗变化带来危害：

功率输出降低和不稳定的振动幅值

超声清洗机

超声刀腹腔镜下结肠肿瘤手术

（2）难以获得精确的谐振频率

在换能器的设计加工过程中，加工误差、装配误差使实际制作出的换能器的谐振频率与理论设计较难吻合 。

（3）加工成本增加

固定谐振频率设计的换能器只能在单一工作频率下工作,

工作频率不同时须重新设计新的换能器。不同共振频率的超声换能器具有不同结构和尺寸，要设计不同共振频率的换能器，就必须加工尺寸和形状不同的超声换能器。

通过反馈自动跟踪谐振频率的变化，不断调节超声电源的频率与换能器的谐振频率一致，使超声换能器工作在谐振状态 。仍然存在跟踪范围狭小、跟踪失效、电感不匹配等问题 。

自动频率跟踪技术

[1] A. Ramos-Fernandez et al., Automatic system for dynamic control of resonance in high

power and high Q ultrasonic transducers, Ultrasonics 23, 151 (1985)

[2]Y. Kuang , Y. Jin , S. Cochran, Z. Huang, Resonance tracking and vibration stablilization

for high power ultrasonic transducers, Ultrasonics 54, 187 (2014)

[3]J Zhao, J Tang, K Wwang, Enhanced statistical damage identification using frequency-

shift information with tunable piezoelectric transducer circuitry, Smart Mater. Struct. 17 ,

065003 (2008)

[4]武剑,董惠娟,张广玉，压电换能器锁相环频率跟踪的失效分析与解决, 华南理工大学学报( 自然科学版),38(3), 123(2010)

利用多模态的耦合振动，设计具有多个

共振频率的超声换能器 。

多频、复频超声换能器

[1]shuyu lin, Analysis of Multifrequency Langevin Composite

Ultrasonic Transducers, IEEE Transactions on Ultrasonics,

Ferroelectrics, and Frequency Control,56(9),1990(2009)

[2]Xiaojun Xian, Shuyu Lin, Study on the compound

multifrequency ultrasonic transducer in flexural vibration,

Ultrasonics 48, 202 (2008)

利用磁场实现可控磁电复合振子谐振频率偏移

磁电复合振子

2.宽带水声换能器应用

宽带、多频水声换能器：抗干扰能力强、命中

率高，是水下高效率的通信、导航、探测、多

频制导的基础。

压电材料（磁致伸缩材料）

宽带混合激励换能器

压磁压电堆压电堆

DC

发射电源1

发射电源2

前辐射头

后盖板

中间质量块

后盖板

中间质量块

压电堆1

发

射

电

源1

发

射

电

源2

前辐射头

压电堆2

发射电压响应

振动模式1振动模式2

叠加响应

频率f1 f2

匹配频率方法：单匹配层技术

匹配频率方法：纵弯耦合技术 问题：发送电压响应出现凹谷

匹配频率方法：调整质量块技术

发射电压响应

振动模式1振动模式2

叠加响应

频率f1 f2

环境影响

发送电压响应出现凹谷原因

温度影响

设计的谐振频率与实际频率产生误差

发生不可控的谐振频率的改变

根本原因：发生不可控的谐振频率的改变

利用磁场实现可控磁电复合阵子谐振频率偏移 压磁压电堆压电堆

DC

发射电源1

发射电源2

前辐射头

后盖板

中间质量块

后盖板

中间质量块

压电堆1

发

射

电

源1

发

射

电

源2

前辐射头

压电堆2

压磁压电堆压电堆

DC

发射电源1

发射电源2

前辐射头

后盖板

中间质量块

后盖板

中间质量块

压电堆1

发

射

电

源1

发

射

电

源2

前辐射头

压电堆2

发射电压响应

振动模式1振动模式2

叠加响应

频率f1 f2

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