專利名稱：：一種具有巨磁電效應(yīng)圓筒狀復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明金屬材料領(lǐng)域，涉及磁電復(fù)合材料^i制備，特別是涉及電鍍方法制備的磁電復(fù)合材料具有圓筒狀的特點(diǎn)。技術(shù)背景層狀磁電復(fù)合材料是近幾年發(fā)展起來的磁電復(fù)合材料體系，相對于以前的磁電復(fù)合材料，克服了以往體系的電阻率低，不容易極化的弱點(diǎn)，而且采用具有巨磁致伸縮性的鋱鏑鐵等鐵磁相材料，磁電性能有巨大的提高，從傳統(tǒng)制備的mV/cmOe級別突破到V/cmOe級別，可以說是磁電復(fù)合材料制備上的一大飛躍，這類材料的制備主要利用具有強(qiáng)壓電性的鋯鈦酸鉛(PZT)粉末為鐵電相，以鋱鏑鐵(Terfenol-D)粉末為鐵磁相，通過聚偏氟乙烯(PVDF)熱壓固化而形成層狀復(fù)合材料，由此得到的材料性能大都在5V/cmOe左右。在PHYSICALREVIEWB72,012405(2005)禾QPHYSICALREVIEWB71,014102(2005)文中對此類復(fù)合材料做了詳細(xì)的報(bào)道。后來的研究工作在該體系的制備工藝上做了一些改進(jìn)，但所采用的復(fù)合方式并未提高材料性能，還是在6V/cm0e左右，具體報(bào)道見APPL正DPHYSICSLETTERS87，012503(2005)。最近我們用對制備方法進(jìn)行了改進(jìn)，用電鍍方法成功制備了具有巨磁電效應(yīng)的層狀復(fù)合材料，其磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)能達(dá)到16V/cmOe，證明了電鍍方法在制備磁電復(fù)合材料方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(比如能在特殊結(jié)構(gòu)樣品上進(jìn)行電鍍，避免了粘接方法帶來的塑性層等)。由于制備方法的限制，以往的磁電復(fù)合材料只能局限于四方、圓片等簡單平板狀結(jié)構(gòu)之中，對于其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如圓筒狀等復(fù)雜結(jié)構(gòu)是無效的。平板結(jié)構(gòu)中由于磁性層(一層或者上下兩層)處于自由狀態(tài)，其力的傳遞不是十分理想。但是作為一個(gè)圓筒狀結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合材料，由于其特殊的形狀特性，其處于一種束縛狀態(tài)，這樣力的傳遞就比平板狀完美。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種將有Ni電極的陶瓷在高溫下極化后進(jìn)行電鍍制備磁電復(fù)合材料的方法。制備出來的復(fù)合材料具有特殊結(jié)構(gòu)，即圓筒狀。該方法制備出來的圓筒狀層狀磁電復(fù)合材料具有更大的磁電性能。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述復(fù)合材料制備方法如下首先將具有壓電效應(yīng)的壓電陶瓷成型燒結(jié)成圓筒狀，切成所需的尺寸，然后用化學(xué)鍍方法在圓筒陶瓷內(nèi)外表面鍍上一層導(dǎo)電性和結(jié)合力良好的Ni層；把有Ni電極的陶瓷在100-170'C的硅油里面以30-50kv/cm的電場進(jìn)行極化，并保持該電場和溫度10-30分鐘，然后隨油冷卻到室溫；將極化后的樣品在配制好的電鍍液中進(jìn)行電鍍，直至電鍍上所需厚度的磁性層，即可得到鐵電鐵磁復(fù)合材料。電鍍液配方和工藝參數(shù):<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>電鍍方法得到的磁性金屬具有的優(yōu)良磁性能，以及較大的彈性模量，直接與壓電相進(jìn)行剛性結(jié)合，避免了有機(jī)塑料或粘接劑的塑性所帶來的彈性損失，因而可以使復(fù)合材料的耦合性能大幅度提高，而且電鍍可以在各種幾何外形的工件上進(jìn)行，特別是在電鍍超厚鍍層方面有著物理沉積方法無法比擬的優(yōu)越性，同時(shí)電鍍需要的設(shè)備比較簡單，工藝條件容易控制，很容易實(shí)行工業(yè)化生產(chǎn)。同時(shí)，具有圓筒狀的特殊結(jié)構(gòu)，使得體系處于束縛狀態(tài)，有利于磁性層和壓電層之間的力的傳遞，這樣能更有效的提高磁電性能。圖l:壓磁/壓電/壓磁三明治結(jié)構(gòu)圓筒狀磁電復(fù)合材料示意圖(其中*代表PZT層；X代表Ni層；P代表PZT的極化方向，沿著壁厚由內(nèi)到外的方向；//oc代表偏置磁場的大小和方向，5//代表外加交流磁場的大小和方向，/表示外加交流磁場的頻率；站,A表示軸向磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)，詢,v表示垂直方向磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)。)圖2:壓磁/壓電雙層結(jié)構(gòu)圓筒狀磁電復(fù)合材料示意圖圖3:戶lkHz下，實(shí)施例l磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)站，v與偏置磁場/fcc的關(guān)系圖4://DC=150OeT，實(shí)施例l磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)站，v的頻率/相應(yīng)關(guān)系圖5:戶lkHz下，實(shí)施例l磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)Ofe,A與偏置磁場/fDC的關(guān)系圖6://DC=500OeT，實(shí)施例1磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)站，A的頻率相應(yīng)關(guān)系圖7:戶lkHz下，實(shí)施例2磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)afe，v與偏置磁場Z/Dc的關(guān)系圖8://Dc-100Oe下，實(shí)施例l磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)化，v的頻率/相應(yīng)關(guān)系圖9:戶lkHz下，實(shí)施例2磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)afe,A與偏置磁場i/Dc的關(guān)系圖10:戶59.9kHz下，實(shí)施例2磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)站,A與偏置磁場/fDc的關(guān)系圖lh//Dc-600Oe下，實(shí)施例l磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)站，A的頻率/相應(yīng)關(guān)系圖12://Dc-6000Oe下，實(shí)施例l磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)ofe,A的頻率尸相應(yīng)關(guān)系具體實(shí)施方式實(shí)施例l將PZT冷壓成型并燒結(jié)切成8x(()18x(t)20mm圓筒狀，其中8mm為圓筒的高，小18和小20分別為圓筒的內(nèi)直徑和外直徑，兩面被電極。然后把做好電極的PZT在15(TC的硅油里面以50kv/cm的電場進(jìn)行極化，極化方向是沿圓筒的徑向，由內(nèi)向外，保持該電場和溫度30分鐘，然后隨油冷卻到室溫。將極化好的樣品用丙酮超聲清洗，直到表面硅油及有機(jī)物清除干凈，用去離子水沖洗。清洗好的樣品用化學(xué)鍍方法鍍Ni電極，在兩電極表面焊上導(dǎo)線。把樣品放入到配制好的電鍍液中進(jìn)行電鍍。在電鍍用的實(shí)驗(yàn)裝置中用水浴磁力攪拌器實(shí)現(xiàn)溫度控制和磁力攪拌。首先，稱量好電鍍液配方所需試劑量的藥品，溶解于500mL6(TC去離子水中，完全溶解后用去離子水稀釋到1L，用氨基磺酸和氫氧化鈉調(diào)解PH值到所需的范圍；把電解鎳板(2mm厚)加工成50X70mm的方塊，作為電鍍的陽極；把準(zhǔn)備好的樣品和陽極鎳板固定好，兩者距離大約2cm;以可調(diào)恒流源作為電鍍電源，根據(jù)需要的電流密度大小和樣品的表面積選擇電流大小進(jìn)行電鍍。電鍍液配方及電鍍工藝如下表。電鍍時(shí)間IO小時(shí)，把電鍍好的樣品用去離子水沖洗干凈，然后在常溫下涼干，得到表面平整且具有金屬光澤的鎳鍍層，即得到鐵電鐵磁復(fù)合材料。該材料經(jīng)在磁電測試系統(tǒng)上測試，表明OE,v達(dá)到35V/cmOe，而站,A達(dá)到8V/cmOe,超出以往的PZT/Terfenol-D/PVDF層狀結(jié)構(gòu)的磁電耦合性能。實(shí)施例1的電鍍液配方及電鍍工藝<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實(shí)施例2將PZT冷壓成型并燒結(jié)切成3x(j)18x(l)20mm圓筒狀，其中8mm為圓筒的高，(t)18和今20分別為圓筒的內(nèi)直徑和外直徑，兩面被電極。然后把做好電極的PZT在15(TC的硅油里面以50kv/cm的電場進(jìn)行極化，極化方向是沿圓筒的徑向，由內(nèi)向外，保持該電場和溫度30分鐘，然后隨油冷卻到室溫。將極化好的樣品用丙酮超聲清洗，直到表面硅油及有機(jī)物清除干凈，用去離子水沖洗。清洗好的樣品用化學(xué)鍍方法鍍Ni電極，在兩電極表面焊上導(dǎo)線。用南京大學(xué)生產(chǎn)的704硅橡膠把圓筒的內(nèi)表面封住，把樣品放入到配制好的電鍍液中進(jìn)行電鍍，只對外表面進(jìn)行電鍍。電鍍條件同實(shí)施例l，電鍍液配方及電鍍工藝如下表。電鍍時(shí)間10小時(shí)，把電鍍好的樣品用去離子水沖洗干凈，然后在常溫下涼干，得到表面平整且具有金屬光澤的鎳鍍層。把得到的樣品在磁電測試系統(tǒng)上進(jìn)行磁電性能的測試，測試結(jié)果表明站,v達(dá)到17V/cmOe，站,A達(dá)至lj4.5V/cmOe當(dāng)外磁場//0(:=600Oe和站,A達(dá)到22V/cmOe當(dāng)外磁場/7ix^6000Oe。實(shí)施例2的電鍍液配方及電鍍工藝<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1、一種具有巨磁電效應(yīng)的圓筒狀磁電復(fù)合材料及其制備方法，其特征是首先將具有壓電效應(yīng)的壓電陶瓷成型燒結(jié)成圓筒狀，切成所需的尺寸，然后用化學(xué)鍍方法在圓筒陶瓷內(nèi)外表面鍍上一層導(dǎo)電性和結(jié)合力良好的Ni層；把有Ni電極的陶瓷在100-170℃的硅油里面以30-50kv/cm的電場進(jìn)行極化，并保持該電場和溫度10-30分鐘，然后隨油冷卻到室溫；將極化后的樣品在配制好的電鍍液中進(jìn)行電鍍，直至電鍍上所需厚度的磁性層；電鍍液由氨基磺酸鎳450-650g/L、氯化鎳5-15g/L、硼酸20-40g/L組成，電鍍時(shí)的鍍液PH值3-5，溫度40-70℃，電流密度1-10A/dm2，電鍍直至所需厚度磁性層，即得到鐵電鐵磁復(fù)合材料；壓電陶瓷材料具有圓筒狀結(jié)構(gòu)，能形成壓磁/壓電/壓磁三明治層狀結(jié)構(gòu)和壓磁/壓電雙層結(jié)構(gòu)。全文摘要一種具有巨磁電效應(yīng)圓筒狀磁電復(fù)合材料，涉及磁電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備。該將有Ni電極的圓筒狀陶瓷在高溫下極化后進(jìn)行電鍍而制成。該磁電復(fù)合材料是將具有壓電效應(yīng)的壓電陶瓷成型燒結(jié)并切片，化學(xué)鍍鍍上一層導(dǎo)電Ni電極，然后把有Ni電極的陶瓷在硅油里面進(jìn)行極化，再將極化后的樣品在配制好的電鍍液中進(jìn)行電鍍，直至電鍍上所需厚度的磁性層，得到鐵電鐵磁復(fù)合材料。與以往平板狀結(jié)構(gòu)層狀磁電復(fù)合材料相比，圓筒狀磁電層狀復(fù)合材料具有自束縛特性，使得壓磁層和壓電層之間具有更完美的耦合，磁電效應(yīng)得到更大的提高。文檔編號H01L43/00GK101118949SQ20071011844公開日2008年2月6日申請日期2007年7月5日優(yōu)先權(quán)日2007年7月5日發(fā)明者喬利杰,潘德安申請人:北京科技大學(xué)