1.3. Оценки магнитоэлектрических параметров композитов

Оценка МЭ коэффициента по напряжения в композитах, основанная на приближенной модели, приведена в [35]. В предположении, что диэлектрическаяпроницаемость титаната бария значительно превышает диэлектрическуюпроницаемость феррита, модули Юнга обеих фаз равны, а механическая связь фаз идеальна, было получено соотношение

a_E=(dE/dH)_{композит}=(dx/dH _{композит} (dE/dx _{композит} = ^mv(dx/dH)_феррит(dE/dx)_BaTiOз,

где dx/dH характеризует изменение размеров материала в магнитном поле, dE/dx – величина, характеризующая зависимость размеров образца в электрическом поле, ^mv – объемная доля феррита.

Используя максимальные, оптимистические значения параметров (dx/x)/dH ≈ 6.28•l0^-9 м/А,dE/(dx/x) ≈ 2•l0⁹ В/м и ^mv = 0.5, было получено максимальное значение МЭ коэффициента по напряжению 6.28 В/А. В работе [44]выражение было изменено следующим образом:

a_E = (dE/dH)_{композит}=^mv (dS/dH) _феррит (l - ^mv) (dE/dS) _{пьезоэлектрик} .

Учитывая, что dE = dE₃ = g₃₃ dT₃ и dS = (dT₃)/C₃₃,

где g₃₃ и C₃₃ – пьезоэлектрический коэффициент и жесткость пьезоэлектрической фазы, T – механическое напряжение, и S – деформация, выражение можно преобразовать к виду:

a_E = =^mv (dS/dH) _феррит (l - ^mv) (g₃₃ C₃₃) _{пьезоэлектрик}.

ОценкаМЭ коэффициента по напряжению 1.15 В/А была получена при использовании приведенной формулы.

Для наблюдения МЭ эффекта в композитах, необходимо приложить к образцу постоянное подмагничивающее поле, совпадающее по направлению с переменным магнитным полем. Подмагничивающее поле может быть создано постоянным магнитом или электромагнитом. Bunget и Raetchi предложили другой метод измерений [39-40]. Поскольку в МЭ композитах электрическая поляризация есть функция электрического и магнитного полей, можно приложить их одновременно и измерять поляризацию. Авторы измерили поляризацию, поддерживая электрическое поле постоянным и изменяя магнитное поле. Таким образом, отношение изменения поляризации к приращению магнитного поля дает МЭ восприимчивость.

Newnham et al. предложили классификацию композитов по типам связности [45]. Композит, одна фаза которого имеет связность во всех трех направлениях (обозначается индексом 3) и изолированной второй фазой, не имеющей связности ни в одном направлении (обозначается индексом 0),называется композитом со связностью типа 3-0. В МЭ композитах магнитострикционная фаза, обычно феррит, имеет значительно меньшее сопротивление, чем пьезоэлектрическая фаза. Это ведет к сильной зависимости сопротивления композита от связности фаз, причем самое высокое сопротивление имеет место при последовательном включении компонент композита, самое низкое - при параллельном соединении. Некоторые из ферритов - полупроводники, в которых сопротивление сильно снижается при повышении температуры. Для наблюдения МЭ эффекта в композите необходимо его поляризовать, чтобы пьезоэлектрический эффект в пьезоэлектрической компоненте был максимально возможным. Однако, электрическая поляризация этих материалов затруднена уже при комнатной температуре, тем более при более высокой температуре из-за высокой проводимости феррита. Использование композита с типом связности 3-0 позволяет повысить сопротивление и облегчает поляризацию.

В композитах с типом связности 2-2 слои составляющих фаз чередуются, так что каждая фаза имеет связность в двух направлениях в плоскости слоев, но не связана с другим слоем той же самой фазы. Механически это – последовательное расположение слоев, однако, электрически это может быть последовательное или параллельное соединение, так как электроды могут быть расположеныразличными способами. В работах Harshe et al. [46, 158] приведены результаты расчета МЭ коэффициента по напряжению для композитов с типом связности 2-2. При этом в [46] МЭ коэффициент по напряжению вычислялся как отношение индуцированного электрического поля в пьезоэлектрической компоненте к магнитному полю, прикладываемому к магнитной компоненте a_E = ^pE/^mH.

Рисунок 2.1 показывает варианты моделей двухслойного МЭ материала с различными граничными условиями.

Первому варианту граничных условий соответствует слоистый композит с идеальной механической связью между слоями. Для второго варианта граничных условий композит представляет собой слои магнитострикционной и пьезоэлектрической фаз, зажатых с верхней и нижней сторон с использованием тонких слоев смазочного материала между всеми поверхностями, а также, в месте контакта фаз друг с другом, чтобы минимизировать трение по осям 1 и 2. Для третьего варианта граничных условий слои магнитострикционной и пьезоэлектрической фаз скреплены вместе и твердо зажаты с верхней и нижней сторон. Для четвертого варианта граничных условий слои композита зажаты с верхней и нижней сторон с тонкими слоями смазочного материала, чтобы минимизировать трение. Обе фазы твердо скреплены между собой.

 

Максимальный пьезоэлектрический эффект может быть достигнут в многослойной структуре, где ферритовые слои шунтируются вспомогательными электродами. В этом случае получается смешанный композит, в котором тип механической связности есть 2-2, но так как ферритовые слои закорочены электродами вследствие параллельного соединения пьезоэлектрических слоев, электрически этот композит имеет связность типа 3-0. Следовательно, это – композит со смешанным типом связности.

Рисунок 2.1. Различные варианты моделей слоистого МЭ композита

Пьезоэлектрические слои композита могут быть электрически соединены последовательно или параллельно. Для использования пьезоэлектрических коэффициентов d₃₃ или d₃₁ и констант магнитострикции λ_// или λ_^могут быть созданы различные типы многослойных МЭ композитов [46]. В работе [157] представлены результаты исследований продольного МЭ эффекта в двухслойном композите на основе терфенола. Величина эффекта составила 1.43 В/см Э.

Для характеристики физических свойств,имеющиеся у исходных компонент, можно использовать эффективные параметры композита. При этом расчет эффективных параметров может проводиться при использовании формулы Максвелла – Гарнетта [47]. Например, для матричной смеси, в которой некоторый сплошной диэлектрик с проницаемостью e₁ содержит «взвешенные» частицы примеси с e₂, эффективная диэлектрическая проницаемость имеет вид

e_эфф = e₁[2e₁ + e₂ + 2y(e₁ - e₂)]/[ 2e₁ + e₂ - y(e₁ - e₂)], (1.15)

где y – относительная объемная доля примесного компонента.

Известны результаты измерений МЭ эффекта в объемных композитах состава NiFe₂O₄ или CoFe₂O₄ и BaTiO₃, полученных спеканием порошка ферритов и титаната бария [48]. Образцы в форме тонких дисков поляризованы электрическим полем перпендикулярно их плоскости. МЭ коэффициент измерен для двух случаев: (i) поперечных полей, когда постоянное и переменное магнитные поля параллельны друг другу, а также плоскости диска (1,2) и перпендикулярны переменному электрическому полю (направление 3); (ii) продольных полей, когда все три поля параллельны друг другу и перпендикуляру к плоскости образца. Керамические объемные композиты, вообще говоря, обнаруживают МЭ связь более слабую, чем расчетные значения [49].Одна из причин такого положения - низкое удельное сопротивление ферритов, что (i) ограничивает электрическое поле при поляризации образцов, ведя к недостаточной степени поляризации и (ii) ведет к появлению тока утечки в образце, который приводит к уменьшению зарядов, индуцированных посредством пьезоэлектрического эффекта.

Существенным достоинством объемных композиционных материалов является то, что они позволяют посредством выбора компонентов материала с необходимыми значениями электрической и магнитной проницаемостей и путем варьирования процентного содержания компонентов достичь требуемых значений заданного комплекса параметров. Кубические модели феррит-сегнетоэлектрического материала со связностью 3-0 и 0-3 рассмотрены в [49]. В указанной работе произведен численный расчет МЭ коэффициента, равного отношению электрического поля, возникающего в композите, к магнитному полю. Однако, построить адекватную теоретическую модель не удалось: экспериментально наблюдаемое значение МЭ коэффициента по напряжению (9.5х10^-3 В/А) оказалось более чем на два порядка меньше теоретического (4.5 В/А).В работах Nan et al. развит метод расчета МЭ эффекта в объемных композитах на основе функций Грина и теории возмущений [148-149]. Авторами предложен перспективный трехфазный композиционный материал, обладающий высокими механическими и МЭ свойствами. В работе [50] сообщается об экспериментально измеренном значении МЭ коэффициента по напряжению 38 мВ/Адля композита состава0.8 ЦТС - /0.2 феррит кобальта.

МЭ эффект в материалах может найти широкое применение. Однако, этому препятствует плохая воспроизводимость МЭ параметров композитов. Кроме того, фазы композита не должны вступать в химическую реакцию, а для достижения максимального МЭ эффекта необходимо хорошее механическое сцепление. Для получения композитов на основе пьезоэлектрической керамики и ферритов путем спекания или методом направленной кристаллизации используется очень высокая температура обработки, при этом сложно избежать химической реакции фаз. Вид связности компонент имеет большое значение для физических параметров, таких как диэлектрическая проницаемость, пьезомодули и, следовательно, МЭ коэффициенты.

Возможные применения МЭ материалы были рассмотрены ранее [24, 25, 29, 51, 114]. Фазовращатели СВЧ диапазона, построенные на основе МЭ материала, рассмотрены в [110]. Разработке МЭ датчиков магнитного поля и СВЧ мощности посвящена работа [111]. Для таких применений МЭ композиционные материалы являются наиболее подходящими благодаря широкому рабочему температурному диапазону, а также благодаря более высоким значениям МЭ коэффициентов по сравнению с монокристаллическими МЭ материалами.

предыдущий раздел | содержание| следующий раздел

Поиск в журналах РАЕ:

Авторы Публикации