高压放大器在复合材料磁电性能研究中的应用

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关注。磁电复合材料包含磁致伸缩相和压电相，通过两相界面进行应力应变传递，从而通过对材料施加交流磁场引发振动，这种振动传递到压电相会引发电极化，进而引发磁电响应。通过两相材料的选择、振动模式的优化，复合材料磁电耦合系数明显提高，特别是近年来剪切磁电系数受到广泛关注，在高频磁场探测中具有广阔的应用前景，可获得高的信噪比，先前的工作使用铽镝铁合金和钇铁石榴石等磁致伸缩材料提供伸缩或剪切应力，带动具有较大剪切压电系数的铌镁酸铅、钛酸镓镧、聚偏氟乙烯等材料实现剪切应变，制备伸缩-剪切或剪切-剪切振动模式磁电复合材料。而作为一种具有高机械品质因数Qm和低介电常数ε的无铅压电材料，铌酸锂单晶具有较大的剪切压电系数d15和d24，有望实现大的剪切磁电响应；同时铌酸锂可以通过单晶切型变化获得不同的压电系数，有利于设计各向异性的剪切振动模式磁电器件。因此，通过使用不同切型铌酸锂单晶研究剪切磁电系数具有理论和实用意义。

测试设备：机械夹持装置、ATA-4014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-4014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100Oe(1Oe=79.5775A/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109mV/(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-4014高压功率放大器：

图：ATA-4014高压功率放大器指标参数

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审核编辑：汤梓红