專利名稱：一種Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金/壓電體復(fù)合材料及磁電效應(yīng)應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于形狀記憶合金/壓電體復(fù)合材料技術(shù)，是材料物理的范疇，具體涉及 到一類具有優(yōu)異磁電特性以及廣泛應(yīng)用前景的新型復(fù)相多鐵性材料，即M-Mn基鐵磁形狀 記憶合金/壓電陶瓷層狀復(fù)合材料。提出了利用Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金中溫度、磁場(chǎng)以 及外應(yīng)力對(duì)馬氏體相變的驅(qū)動(dòng)作用、馬氏體相變特征以及壓電陶瓷良好的(逆)壓電效應(yīng)， 獲得了 Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金/壓電陶瓷層狀復(fù)合材料中優(yōu)異的磁電效應(yīng)(包含正磁 電效應(yīng)和逆磁電效應(yīng))。
背景技術(shù)：
磁電多鐵性材料由于具有多種功能特性，具有很好的潛在應(yīng)用前景，最近幾十年 得到了人們的廣泛研究。早期人們主要研究單相磁電多鐵性材料，但是，到目前為止，這類 材料的新穎特性大都表現(xiàn)在低溫下且磁電耦合效應(yīng)強(qiáng)度較弱，在實(shí)際應(yīng)用上仍然存在很多 困難。因此，近年來(lái)，人們著手研究具有多鐵特性且更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的新型材料。復(fù)相磁 電多鐵性材料是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類新型多功能材料，在室溫條件下可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材 料中的磁性及電性之間的相互調(diào)控，表現(xiàn)出良好的磁電耦合特性，因此具有很好的實(shí)際應(yīng) 用前景。在復(fù)相磁電材料中，包含磁致伸縮合金和壓電陶瓷的異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料得 到了人們最廣泛的研究，從目前的研究結(jié)果來(lái)看，在這類復(fù)合材料中，“Terfenol-D/壓電 體”層狀復(fù)合材料具有最好的磁電耦合綜合特性。從原理上講，對(duì)于正磁電效應(yīng)，它是利用 Terfenol-D合金優(yōu)異的磁致伸縮性能獲得大的應(yīng)力輸出，從而可以在鐵電體上得到大的電 壓輸出，即得到大的正磁電系數(shù)；而對(duì)于這一體系中的逆磁電效應(yīng)，其基本原理是利用鐵電 體中的逆壓電效應(yīng)和合金中的壓磁效應(yīng)，因此，這一體系材料中的逆磁電效應(yīng)強(qiáng)度主要取 決于合金壓磁系數(shù)的大小。從材料選擇來(lái)看，在這一類具有較好磁電特性的復(fù)合材料中，鐵 磁合金中含有價(jià)格較高的稀土材料，且其中的壓電體大多選擇為單晶材料，從制備到加工 均有較高的費(fèi)用。為此，人們希望從新機(jī)理、新材料設(shè)計(jì)角度出發(fā)，獲得具有更好綜合磁電 效應(yīng)特性、成本較低的復(fù)合磁電材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是從新的機(jī)理及新材料選擇角度出發(fā)，提出并制備出一種新型磁電材 料一-Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金/壓電陶瓷層狀復(fù)合材料及其磁電效應(yīng)應(yīng)用，其中的磁 電效應(yīng)機(jī)制不同于一般“磁致伸縮合金/鐵電體”復(fù)合材料，同時(shí)也獲得了材料中室溫下優(yōu) 異的磁電效應(yīng)。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金/壓電體復(fù)合材料及磁電 效應(yīng)應(yīng)用，所述Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金/壓電陶瓷復(fù)合材料組成的通式為NiMn CoSn /壓電陶瓷；其中常用的壓電陶瓷為PZT和PMN-PT單晶。本發(fā)明磁電材料Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金/壓電層狀復(fù)合材料的應(yīng)用，通式為NiMn CoSn/壓電材料。首先將壓電材料片的表面鍍上金屬電極，后將片狀鐵磁相形狀記憶 合金與壓電片材料之間粘結(jié)構(gòu)成復(fù)合材料，在外加磁場(chǎng)作用下，在復(fù)合材料中的壓電材料 片有電壓輸出；本發(fā)明利用外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)鐵磁相形狀記憶合金產(chǎn)生馬氏體相變，此結(jié)構(gòu)相變 引起的應(yīng)力作用在壓電體上，并通過(guò)壓電體的壓電效應(yīng)，在壓電體上產(chǎn)生電壓輸出，從而獲 得Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金/壓電陶瓷層狀復(fù)合體系中的正磁電效應(yīng)。在復(fù)合材料的壓電體上外加電場(chǎng)時(shí)，鐵磁形狀記憶合金中的磁化強(qiáng)度發(fā)生變化； 當(dāng)在壓電體上外加電壓時(shí)，由于壓電體的逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的應(yīng)力作用在鐵磁形狀記憶合 金上，利用應(yīng)力驅(qū)動(dòng)鐵磁形狀記憶合金產(chǎn)生馬氏體相變，引起合金中的磁化強(qiáng)度變化，從而 獲得Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金/壓電陶瓷層狀復(fù)合體系中的逆磁電效應(yīng)。1.提出將鐵磁形狀記憶合金中磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變這一特性應(yīng)用于“鐵磁/壓 電”復(fù)相材料的正磁電效應(yīng)中。在此之前，“鐵磁/壓電”復(fù)相材料的正磁電效應(yīng)研究中，鐵磁相所用的是稀土合 金(如Terfenol-D合金)、鐵氧體(如NiFeO3)等材料，它是利用鐵磁相的磁致伸縮特性獲得 應(yīng)力輸出到壓電體，從而在壓電體上得到電壓輸出。我們知道，在鐵磁形狀記憶合金的馬氏 體相變過(guò)程中，合金的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同樣會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變。因此，將磁電復(fù)合材料中的鐵 磁相選擇為鐵磁形狀記憶合金，利用這一類合金在外磁場(chǎng)作用下引起的結(jié)構(gòu)相變，輸出應(yīng) 力到壓電體，從而在壓電體上得到電壓輸出?；谶@一原理，本發(fā)明獲得了室溫下Ni-Mn基 鐵磁形狀記憶合金/壓電陶瓷層狀復(fù)合材料中較大的正磁電系數(shù)。本發(fā)明的有益效果是不但獲得正磁電效應(yīng)，而且本發(fā)明“鐵磁形狀記憶合金/壓 電體”復(fù)合材料中獲得大的逆磁電效應(yīng)。目前在“鐵磁/壓電”復(fù)合材料的逆磁電效應(yīng)研 究中，鐵磁相通常選擇具有優(yōu)良磁致伸縮特性的合金(如Terfenol-D合金)或具有高的磁 導(dǎo)率軟磁合金(如FeBSiC合金)，其原理主要是利用這類合金的壓磁效應(yīng)(應(yīng)力作用對(duì)軟磁 合金的磁導(dǎo)率也有重要影響)，進(jìn)而獲得逆磁電效應(yīng)。而在本發(fā)明中，通過(guò)從新的機(jī)理以及 新材料選擇兩方面，結(jié)合鐵磁形狀記憶合金的新穎特性，提出在“鐵磁/壓電”復(fù)合磁電材 料中，引入鐵磁形狀記憶合金作為鐵磁相，研究其中的逆磁電效應(yīng)。其原理是利用鐵磁形狀 記憶合金的馬氏體相變過(guò)程伴隨磁化強(qiáng)度改變，以及溫度、應(yīng)力、磁場(chǎng)對(duì)馬氏體相變的驅(qū)動(dòng) 作用。具體過(guò)程為在相變溫度附近，來(lái)自于壓電陶瓷的應(yīng)力作用在合金上，與直流偏置磁 場(chǎng)共同驅(qū)動(dòng)相變，從而引起磁化強(qiáng)度的變化(由于馬氏體及奧氏體相之間大的磁化強(qiáng)度差 別)?；谝陨显?，我們獲得了室溫下Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金/壓電陶瓷層狀復(fù)合材 料中優(yōu)異的逆磁電系數(shù)及其良好的溫度、磁場(chǎng)和頻率特性。


圖1是Ni43Mn41C05Sn11/ Pb(Zra52Tia48)O3層狀樣品的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中 Pb(Zra52Tia48)O3表面為銀電極；鐵磁相與壓電相之間用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘結(jié)。圖2是在不同溫度下Ni43Mn41C05Sn11/ Pb (Zr0.52Ti0.48) O3復(fù)合材料正磁電系數(shù) (α DME)的頻譜特性。圖3 是在 293 K 下，Ni43Mn41C05Sn11/ Pb(Zra52Tia48)O3 復(fù)合材料的橫向和縱向 aDME與直流偏置磁場(chǎng)(Hbias)的關(guān)系。圖4是在 293 K下，Ni43Mn41C05Sn11/ Pb(Zra52Tia48)O3 復(fù)合材料的橫向和縱向 α DME與交變磁場(chǎng)幅度(Ha。)的關(guān)系
圖5是在不同溫度下Ni43Mn41Co5Sn11/ Pb(Zra52Tia48)O3復(fù)合材料橫向逆磁電系數(shù) (α CME)的頻譜特性。圖6是Ni43Mn41C05Sn11/ Pb(Zra52Tia48)O3復(fù)合材料的橫向和縱向α ■與直流偏 置磁場(chǎng)(Hbias)的關(guān)系。圖7是在293 K下Ni43Mn41C05Sn11/ Pb(Zra52Tia48)O3復(fù)合材料的誘導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度 (B—)與驅(qū)動(dòng)電壓幅度(Ua。)的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式物理量及一些參量的說(shuō)明
磁電效應(yīng)包含正磁電效應(yīng)和逆磁電效應(yīng)，其中，正磁 電效應(yīng)是指材料在磁場(chǎng)作用下的電極化改變，用正磁電系數(shù)
=Ufl (單位V /cm Oe)表征；而逆磁電效應(yīng)是指材料在電場(chǎng)作用下的磁極化強(qiáng)度
改變，用逆磁電系數(shù)殘ι(單位G /V)表征。直流偏置磁場(chǎng)(Hbias)在磁電效應(yīng)測(cè)量時(shí)，加在樣品上的外加直流磁場(chǎng)。交變磁場(chǎng)(Ha。):在磁電效應(yīng)測(cè)量時(shí)，加在樣品上的外加交流磁場(chǎng)，一般為正弦信號(hào) d - HsinOi+溝)。橫向磁電效應(yīng)在磁電效應(yīng)中，當(dāng)外加磁場(chǎng)的方向與電極化方向垂直時(shí)，得到的即 為橫向磁電效應(yīng)?？v向磁電效應(yīng)在磁電效應(yīng)中，當(dāng)外加磁場(chǎng)的方向與電極化方向平行時(shí)，得到的即 為縱向磁電效應(yīng)。UNi43Mn41Co5Sn11/ Pb (Zrtl 52Titl 48) O3 層狀結(jié)構(gòu)，Pb (ZrQ. 52TiQ 48) O3 表面為銀電極；鐵 磁相與壓電相之間用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘結(jié)；Ni43Mn41Co5Sn11/ PMN-PT單晶得到同樣效果。2,Ni43Mn41Co5Sn11是NiMnCoSn是一種特殊成分，其實(shí)本發(fā)明的NiMnCoSn四種成分 的原子比在一定范圍內(nèi)均可以達(dá)到本發(fā)明的正逆磁電效應(yīng)，典型的范圍是Ni4(l_6(lMn4(l_6(lC0(l。 01-10Sn5_20。本發(fā)明在煉制這些材料的樣品時(shí)均有不同的控制成分控制，不摻鈷亦可。3, Ni50Mn52Sn14 /Pb (Zr0.52Ti0.48) O3的材料均得到圖3和圖4的相似結(jié)果。4、Ni50Mn52Sn14 /PMN-PT單晶得到圖5的類似結(jié)果。
權(quán)利要求
Ni Mn基鐵磁形狀記憶合金/壓電體復(fù)合材料，其特征是復(fù)合材料為NiMn CoSn / 壓電材料，壓電材料為 PZT和 PMN PT單晶。
2.Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金/壓電層狀復(fù)合材料的磁電效應(yīng)應(yīng)用，其特征是以NiMn CoSn/壓電材料構(gòu)成復(fù)合材料，首先將壓電材料片的表面鍍上金屬電極，后將片狀鐵磁相 NiMn CoSn形狀記憶合金與壓電片材料之間粘結(jié)構(gòu)成復(fù)合材料，在外加磁場(chǎng)作用下，在復(fù)合 材料中的壓電片有電壓輸出；由外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)鐵磁相形狀記憶合金產(chǎn)生馬氏體相變，此結(jié)構(gòu) 相變引起的應(yīng)力作用在壓電體上，并通過(guò)壓電體的壓電效應(yīng)，在壓電體上產(chǎn)生電壓輸出，從 而獲得正磁電效應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金/壓電層狀復(fù)合材料的磁電效 應(yīng)應(yīng)用，其特征是在復(fù)合材料的壓電體上外加電場(chǎng)時(shí)，鐵磁形狀記憶合金中的磁化強(qiáng)度發(fā) 生變化；當(dāng)在壓電體上外加電壓時(shí)，壓電體的逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的應(yīng)力作用在鐵磁形狀記 憶合金上，利用應(yīng)力驅(qū)動(dòng)鐵磁形狀記憶合金產(chǎn)生馬氏體相變，引起合金中的磁化強(qiáng)度變化， 從而獲得Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金/壓電陶瓷層狀復(fù)合體系中的逆磁電效應(yīng)。
全文摘要
Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金/壓電體復(fù)合材料及磁電效應(yīng)應(yīng)用，所述復(fù)合材料為NiMnCoSn/壓電材料，壓電材料為PZT和PMN-PT單晶。Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金/壓電層狀復(fù)合材料的磁電效應(yīng)應(yīng)用，以NiMnCoSn/壓電材料構(gòu)成復(fù)合材料，首先將壓電材料片的表面鍍上金屬電極，后將片狀鐵磁相NiMnCoSn形狀記憶合金與壓電片材料之間粘結(jié)構(gòu)成復(fù)合材料，在外加磁場(chǎng)作用下，在復(fù)合材料中的壓電片有電壓輸出；由外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)鐵磁相形狀記憶合金產(chǎn)生馬氏體相變，此結(jié)構(gòu)相變引起的應(yīng)力作用在壓電體上，并通過(guò)壓電體的壓電效應(yīng)，在壓電體上產(chǎn)生電壓輸出，從而獲得正磁電效應(yīng)。并可得到逆磁電效應(yīng)的利用。
文檔編號(hào)H01L43/10GK101982893SQ20101050491
公開(kāi)日2011年3月2日 申請(qǐng)日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者王敦輝, 軒海成, 都有為, 陳水源 申請(qǐng)人:南京大學(xué)