3.1.5 Экспериментальные данные

Важно сравнить теоретические оценки, представленные на рис. 3.2-3.8 с экспериментальными данными. Известно лишь несколько работ, посвященных исследованию слоистых композитов, причем во всех этих работах рассматриваются свободные образцы при продольной и поперечной ориентациях магнитных и электрического полей. Данные об измерениях в случае продольной в плоскости образца ориентации полей отсутствуют. Наши измерения были выполнены на слоистых образцах, полученных методом высокотемпературного спекания, а также склеиванием пленочных слоев феррита или манганита и ЦТС. Образцы были поляризованы в электрическом поле. МЭ коэффициент измерялся при воздействии на образец постоянного и переменного магнитных полей.

Установка (рис. 3.9) для измерения МЭ эффекта [53, 60, 90] состоит из постоянного электромагнита, между сердечниками которого включены катушки Гельмгольца. Внутри катушек Гельмгольца помещается исследуемый материал (в виде пластинки). На пластинку с противоположных сторон нанесено специальное покрытие (токопроводящий клей), которое служит электродами данного материала. С помощью специального зажима к электродам через усилитель подключается измерительный прибор-осциллограф. Усилитель имеет большое входное сопротивление (около 100 МОм) по сравнению с осциллографом (1 МОм), что необходимо для обеспечения точности измерения. Усилитель обеспечивает максимальное усиление сигнала 60 Дб.

Электромагнит питается от источника постоянного тока величиной напряжения 250 В. Максимально возможное подмагничивающее поле при данном напряжении составляет 3200 Э. Катушки Гельмгольца подключены к низкочастотному генератору, частота которого может изменяться в пределах 10 Гц – 100 кГц. С помощью катушек Гельмгольца в образце исследуемого материала создается магнитное поле величиной 1 - 10 А/см.

При измерении напряжения, снимаемого с образца, необходимо учитывать входное сопротивление усилителя и внутреннее сопротивление образца (рис. 3.10). Напряжение, индуцируемое в образце, вычислялось по формуле:

(3.36)

где - измеренное значение напряжения,
- сопротивление материала,
- входное сопротивление усилителя,
- ЭДС сигнала снимаемого с образца.

Рисунок 3.9 Блок-схема установки для исследования магнитоэлектрического эффекта в феррит-пьезоэлектрических материалах: 1 – катушки Гельмгольца, 2 – зонд измерителя магнитной индукции, 3 – исследуемый материал

Рис. 3.10. Эквивалентная схема измерительной установки.

Напряженность электрического поля в материале определялась согласно известной формуле:

(3.37)

где d – толщина материала.

МЭ коэффициент по напряжению вычисляется из соотношения:

α_E = ΔE / ΔН, (3.38)

где ΔН – переменное магнитное поле создаваемое катушкой Гельмгольца.

Погрешность измерений МЭ коэффициента по напряжению не превышала 6 %.

Были измерены МЭ коэффициенты как функции поля подмагничивания для ряда объемных долей пьезоэлектрической фазы.

Рассмотрим сначала композиты состава феррит кобальта – ЦТС. На рис. 3.11 приведены результаты измерений при комнатной температуре МЭ коэффициента по напряжению на низких частотах

Рис. 3.11. Концентрационная зависимость продольного (a) и поперечного (b) МЭ коэффициентов по напряжению композита состава феррит кобальта – ЦТС: сплошная линия – теория для k=0.1, точки - эксперимент

(100-1000 Гц) в зависимости от объемной доли пьезоэлектрической компоненты для клеевых и спеченных композитов. При этом величина подмагничивающего поля соответствовала максимуму МЭ коэффициента. Необходимая объемная доля компонент достигаласьподбором толщины слоев композита.

Анализ данных для поперечной и продольной ориентаций магнитных и электрического полей показывает, что на зависимости МЭ коэффициента по напряжению от объемной доли пьезоэлектрической компоненты имеется максимум. Однако, измеренные величины (рис. 3.11) на порядок меньше, чем теоретические оценки для k=1 (рис. 3.3–3.4). Поэтому представляется целесообразным сравнить экспериментальные данные с расчетными значениями для слабой связи слоев композита (k порядка 0.1). Рис. 3.11 иллюстрирует общее соответствие между теоретическими значениями для k=0.1 и измеренными значениями. Из этого можно заключить, что при любом способе получения композита состава феррит кобальта – ЦТС межслоевая связь получается слабая. На возможных причинах недостаточной связи слоев мы остановимся позже в этом разделе.

Подобное сравнение теории и эксперимента для композита состава феррит никеля - ЦТС, однако, указывает на идеальную межслоевую связь. На рас. 3.12 приведена экспериментальная концентрационная зависимость МЭ коэффициента по напряжению для свободных образцов. Полученные в [62] данные для слоистых композитов на основе замещенного феррита никеля и модифицированного ЦТС хорошо согласуютсяс данными, приведенными на рис. 3.13. Теоретические значения (рис. 3.12) получены для k=1 и находятся в очень хорошем согласии с экспериментальными данными, в особенности для v=0.4-0.8. Дополнительное подтверждение эффективного МЭ взаимодействия в данном материале представлено для МЭ коэффициента на рис. 3.13. Зависимость a¢_E,31 от поля подмагничивания приведена для двух случаев: для свободного и абсолютно зажатого образца для v=0.5. Зависимость МЭ коэффициента от подмагничивающего поля подобна зависимости пьезомагнитного модуля от постоянного магнитного поля для феррита. Эта зависимость, напоминающая резонансную, обусловлена изменением пьезомагнитных модулей q₁₁ и q₁₂ при изменении постоянного магнитного поля. МЭ коэффициент уменьшается до нуля в сильном магнитном поле, когда магнитострикция достигает насыщения, вследствие этого пьезомагнитные модули обращаются в нуль, и исчезает магнитомеханическая связь на переменном токе. Теоретические оценки пьезомагнитных модулей (рис. 3.13) получены при использовании зависимости магнитострикции от постоянного магнитного поля по данным [62]. Согласие между теоретическими значениями МЭ коэффициента для k=1 и экспериментальными данными подтверждает идеальность межслоевого контакта для данного композита. Анализ рис. 3.13позволяет сделать другой важный вывод об уменьшении продольного МЭ коэффициента для абсолютно зажатого образца, что находится в согласии с теорией (рис. 3.7). Подобное сравнение данных и теории для продольных полей было проведено для k=1. Мы также измерили увеличение продольного коэффициента для зажатых образцов, которое соответствует теории.

Рис. 3.12. Концентрационная зависимость поперечного МЭ коэффициента по напряжению композита состава феррит никеля – ЦТС: сплошная линия – теория для k=1, точки – эксперимент

Рассмотрим теперь композит состава манганит – ЦТС. На рис. 3.12 показана зависимость МЭ коэффициента по напряжению от объемной доли пьезоэлектрической компоненты при продольной и поперечной ориентациях полей для свободного и абсолютно зажатого образцов. Значения МЭ коэффициента являются самыми маленькими среди трех рассмотренных составов материалов. При этом максимум МЭ коэффициента наблюдался при v=0.5. Теоретические оценки (рис. 3.11) для k=1 значительно превышают измеренные значения. На рис. 3.12 показаны расчетные значения a¢_E для k=0.2, которые находятся в удовлетворительном согласии с экспериментальными данными. Таким образом, можно сделать вывод о слабой межслоевой связи в композите состава манганит - ЦТС, подобно составу феррит кобальта - ЦТС.

Рассмотрим теперь композит состава манганит – ЦТС. На рис. 3.14 показана зависимость МЭ коэффициента по напряжению от объемной доли пьезоэлектрической компоненты при продольной и поперечной ориентациях полей для свободного и абсолютно зажатого образцов. Значения МЭ коэффициента являются самыми маленькими среди трех рассмотренных составов материалов. При этом максимум МЭ коэффициента наблюдался при v=0.5. Теоретические оценки (рис. 3.8) для k=1 значительно превышают измеренные значения. На рис. 3.14 показаны расчетные значения a¢_E для k=0.2, которые находятся в удовлетворительном согласии с экспериментальными данными. Таким образом, можно сделать вывод о слабой межслоевой связи в композите состава манганит - ЦТС, подобно составу феррит кобальта - ЦТС.

Сравнение рис. 3.11-3.14 демонстрирует полезность представленной модели для объяснения особенностей МЭ взаимодействия в слоистых материалах, обусловленного механическими деформациями фаз композита.

Рис. 3.13. Зависимость поперечного МЭ коэффициента по напряжению от подмагничивающего поля H₀ для свободного (a) и абсолютно зажатого (b) образцов композита состава феррит никеля – ЦТС для k=1: сплошная линия – теория, точки - эксперимент

Рис. 3.14. Концентрационная зависимость поперечного (a) и продольного (b) МЭ коэффициентов по напряжению композита состава манганит – ЦТС: сплошная линия – теория для k=0.2, точки - эксперимент

Укажем возможную причину слабой межслоевой связи в композитах составов феррит кобальта – ЦТС и манганит – ЦТС, а также идеальной связи в композите состава феррит никеля - ЦТС. Параметр k является чувствительным к механическим, структурным, химическим и электромагнитным параметрам фаз композита. Высокотемпературное спекание, которое используют для получения образца, необходимо для обеспечения механического контакта. Но процесс спекания, вероятно, приводит к структурным микроскопическим и химическим неоднородностям, которые имеют неблагоприятное воздействие на материальные параметры и, следовательно, на k. Однако, необходимо отметить, что плохой межслоевой контакт в композите на основе феррита кобальта и ЦТС также отмечен для клеевых образцов, процесс изготовления которых не включает высокотемпературное спекание. Слабую межслоевую связь в этом случае можно объяснить неэффективной магнитомеханической связью. Коэффициент магнитомеханической связи определяется формулой k_m=(4pl¢m_r/E)^1/2, где E – модуль Юнга. Динамическая магнитострикционная константа l¢ и реверсивная магнитная проницаемость m_r - параметры, аналогичные пьезомагнитному модулю и начальной магнитной проницаемости. В ферритах, при воздействии постоянного и переменного магнитных полей, движение доменных стенок и вращение доменов вносит вклад в магнитострикцию и пьезомагнитную связь. Необходимым условием для сильной пьезомагнитной связи является беспрепятственное движение границ доменов и их вращение. Магнитомягкий феррит с высокой начальной магнитной проницаемостью, каким является феррит никеля, характеризуется большим значением коэффициента магнитомеханической связи и сильным МЭ эффектом. Наши измерения показали, что начальная магнитная проницаемость феррита никеля равна 20, а для феррита кобальта и манганита лантана – 2-3. Таким образом, сильное МЭ взаимодействие в композите состава феррит никеля связано отчасти с облегченным движением доменов.

предыдущий раздел | содержание| следующий раздел

Поиск в журналах РАЕ:

Авторы Публикации