1.2. Магнитоэлектрическое взаимодействие в композиционных материалах

Композиционные материалы могут обладать как свойствами, имеющимися у исходных компонент, так и свойствами, которые у них отсутствуют. К первой группе свойств относятся, в частности, плотность и жесткость, при этом количественные характеристики композита определяются характеристиками исходных компонент и их объемным или весовым содержанием.

Более интересными являются свойства второй группы, так называемые «productproperties», предложенные Van Suchtelen J. [30, 31]. Механизм возникновения новых свойств композита можно пояснить следующим образом. Если одна из компонент композита обладает свойством, которое обуславливает преобразованием величины А в эффект В, то связь между А и В можно характеризовать с помощью параметра X = ∂B/∂A, который может зависеть от А и В. Аналогично, если вторая компонента преобразует величину B в эффект С, то связь между B и C можно характеризовать с помощью параметра Y = ∂C/∂B. При этом композит будет характеризоваться новым свойством преобразования Aв C, отсутствующим в обеих исходных компонентах.

Преобразование Aв C можно характеризовать параметром, являющимся произведением характеристик компонент ∂C/∂A = (∂C/∂B)(∂B/∂A) = YX. Основываясь на этом принципе, можно получить различные свойства композита, полностью отсутствующие в исходных компонентах.

Следует отметить, что Tellegen B.D.H. еще в 1948 г. предложил устройство на композиционном МЭ материале, впоследствии названное гиратор Теллегена [129]. Поскольку в то время не были известны композиционные материалы с достаточной величиной МЭ восприимчивости, предложенное устройство не нашло практического применения.

Для композиционных материалов открываются широкие возможности варьирования их физических свойств, а значит и оптимизации характеристик устройств на их основе.

МЭ эффект в композиционных материалах можно рассматривать как результат взаимодействия пьезоэлектрических и пьезомагнитных свойств (рис 1.1). Механизм МЭ эффекта состоит в следующем: пьезомагнитный материал деформируется при приложении внешнего магнитного поля. Эта деформация приводит к возникновению механических напряжений в пьезоэлектрической компоненте, а, следовательно, и к электрической поляризации, появляющейся вследствие пьезоэлектрического эффекта. Очевидно, возможен и обратный эффект. Внешнее электрическое поле вызывает деформацию пьезоэлектрической компоненты, приводящую к возникновению механических напряжений в пьезомагнитной компоненте.

Пьезомагнитная компонента намагничивается благодаря пьезомагнитному эффекту. Таким образом, композиционный материал характеризуется новым свойством – магнитоэлектрическим эффектом, заключающимся в возникновении электрической поляризации во внешнем магнитном поле и в намагничивании во внешнем электрическом поле.

Рис.1.1. Схема МЭ эффекта в композиционном материале: 1- пьезомагнитная компонента; 2- упругая компонента; 3- пьезоэлектрическая компонента.

Большинство известных магнитоупорядоченных материалов обладают магнитострикцией. Однако, пьезомагнитный эффект в этих материалах не наблюдается [32]. Это означает, что деформация материала, обусловленная внешним магнитным полем, зависит от величины поля не линейно, а квадратично. По этой причине МЭ эффект в композиционных материалах является нелинейным эффектом, в то время как МЭ эффект в монокристаллических материалах линеен в широком диапазоне значений электрического и магнитного полей. Это затрудняет использование композитов в линейных устройствах.

Линеаризовать МЭ свойства композиционных материалов можно приложением к материалу подмагничивающего поля. В этом случае в интервале магнитных полей, малых по сравнению с подмагничивающим полем, МЭ эффект будет близок к линейному.

Впервые МЭ композиты были получены van den Boomgard и др. методом направленной кристаллизации эвтектической композиции Fe-Co-Ti-Ba-O [33, 34]. Направленная кристаллизация способствует образованию чередующихся слоев магнитной шпинели и пьезоэлектрического перовскита. Процесс направленной кристаллизации требует тщательного контроля состава, особенно, когда один из компонентов (кислород) - газ. Исследование полученных таким образом композитовпоказало, что избыток TiO₂ (1.5 % по весу) позволяет получить большое значение МЭ коэффициента по напряжению a_E = dE/dH = 62.8 мВ/A (50 мВ/см Э). Однако, другие составы показывали более низкий МЭ коэффициент по напряжению (1.26 - 5.03 мВ/A). В последующей работе авторы сообщили об измеренномМЭ коэффициенте по напряжению a_E = 163.4 мВ/A в эвтектической композиции ВаТiO₃ – СоFе₂О₄, полученной методом направленной кристаллизации [35].

Это значение почти на порядок выше, чем МЭ коэффициент по напряжению для монокристаллического Сг₂О₃, для которого a_E = 25 мВ/A. По известным значениям МЭ коэффициента по напряжению и диэлектрической проницаемости можно найти более релевантный параметр - МЭ восприимчивостьa= dP/dH =a_Ee. Используя величину относительной диэлектрической проницаемости 500 для композита и 11.9 для Сг₂О₃, получаем значение a = 7.22•l0^-10 с/м для композита, которое приблизительно в 270 раз больше, чемa=2.67•l0^-12 с/м для Cr₂O₃.

В работе [36] приведены результаты измерений МЭ эффекта в керамических композитах состава BaTiO₃ – NiFe₂O₄, легированных кобальтом и марганцем.Максимальная величина МЭ коэффициента по напряжению составила 31.4 mV/A. Авторы привели описание особого метода поляризации образцов, в котором изменялась полярность поля при температуре Кюри [37]. Использование поля, создаваемого пространственными зарядами в композите, позволилоповысить степень поляризации образца. В работе [38] сообщено об исследовании керамических МЭ композитов той же системы с избытком TiO₂, влиянии размера частиц,скорости охлаждения и молярной концентрации обеих фаз композита. Для керамических композитов состава BaTiO₃ – Ni(Co,Mn)Fe₂O₄ удалось получить МЭ коэффициент по напряжению 100 mV/A.

Bunget и Raetchi сообщили о наблюдении МЭ эффекта в композитах состава Ni-Zn феррит - ЦТС и его зависимости от величины приложенного магнитного поля [39-40]. В работе [41] приведено описаниеширокополосного датчика на основе композита состава BaTiO₃ – NiFe₂O₄, работающего на частотах до 650 кГц. При этом величина МЭ коэффициента по напряжения составила 3.8 мВ/А.

Исследование физических свойств композитов состава магний-марганцевый феррит – титанат бария показали, что они проявляют как сегнетоэлектрические, так и ферримагнитные свойства [42]. При этом образцы с составами 30:70, 50:50, 70:30 и 90:10 весовых процентов феррита и титаната бария обладают как сегнетоэлектрическим, так и ферромагнитным гистерезисом. Измерения пьезоэлектрических свойств МЭ композитов показали, что частота пьезоэлектрического резонанса зависит от приложенного магнитного поля [43]. При этом максимальное изменение резонансной частоты составило 0.2%в магнитном поле 875 kA/m.

Большое значение для решения прикладных задач имеет исследование МЭ эффекта в слоистых композитах на основе магнитострикционных металлов (Fe, Ni, Co), сплавов (пермендюр, терфенол) и пьезокерамики ЦТС [148-150]. В работах [154-156] получен максимальный МЭ эффект величиной 5В/А в многослойных структурах на основе терфенола и ЦТС. Этот результат открывает реальную возможность их практического применения.

Впервые исследование МЭ эффекта в слоистых структурах феррит-пьезоэлектрик проведено авторским коллективом данной работы [80]. При воздействии на пьезоэлектрическую компоненту внешнего электрического поля наблюдался сдвиг линии ФМР ферритовой компоненты. Аналогичный эффект впервые наблюдался в объемном феррит-пьезоэлектрическом композиционном материале [81]. Детальный анализ резонансных МЭ эффектов в парамагнитных и магнитоупорядоченных средах проведен Бичуриным М.И. [109], микроскопическая теория МЭ эффекта в области магнитного резонанса в магнитоупорядоченных кристаллах с 3d- ионами представлена в [131, 133], низкочастотная теория МЭ эффекта и дисперсионные свойства в [132], теория МЭ эффекта в гомогенных композитах и гетерогенных структурах в [133], применение МЭ эффекта иустройства на его основе в [110, 111]. Недавно опубликован обзор Fiebig [153], в котором дан анализ основных работ по композиционным МЭ материалам.

предыдущий раздел | содержание| следующий раздел