Магнітоелектричний взаємодія в композиційних матеріалах

Наши партнеры ArtmMisto

1.2. Магнітоелектричний взаємодія в композиційних матеріалах

Композиційні матеріали можуть володіти як властивостями, які є в початкових компонент, так і властивостями, які у них відсутні. До першої групи властивостей відносяться, зокрема, щільність і жорсткість, при цьому кількісні характеристики композиту визначаються характеристиками вихідних компонент і їх об'ємним або ваговим вмістом.

Більш цікавими є властивості другої групи, так звані «productproperties», запропоновані Van Suchtelen J. [30, 31]. Механізм виникнення нових властивостей композиту можна пояснити наступним чином. Якщо одна з компонент композиту має властивість, яка обумовлює перетворенням величини А в ефект В, то зв'язок між А і В можна характеризувати за допомогою параметра X = ∂B / ∂A, який може залежати від А і В. Аналогічно, якщо друга компонента перетворює величину B в ефект с, то зв'язок між B і C можна характеризувати за допомогою параметра Y = ∂C / ∂B. При цьому композит буде характеризуватися новим властивістю перетворення АВ C, відсутнім в обох вихідних компонентах.

Перетворення АВ C можна характеризувати параметром, що є твором характеристик компонент ∂C / ∂A = (∂C / ∂B) (∂B / ∂A) = YX. Грунтуючись на цьому принципі, можна отримати різні властивості композиту, повністю відсутні у вихідних компонентах.

Слід зазначити, що Tellegen BDH ще в 1948 році запропонував пристрій на композиційному МЕ матеріалі, згодом назване гираторов Теллеген [129]. Оскільки в той час не були відомі композиційні матеріали з достатньою величиною МЕ сприйнятливості, запропоноване пристрій не знайшло практичного застосування.

Для композиційних матеріалів відкриваються широкі можливості варіювання їх фізичних властивостей, а значить і оптимізації характеристик пристроїв на їх основі.

МЕ ефект в композиційних матеріалах можна розглядати як результат взаємодії п'єзоелектричних і п'єзомагнітних властивостей (рис 1.1). Механізм МЕ ефекту полягає в наступному: п'єзомагнітних матеріал деформується при додатку зовнішнього магнітного поля. Ця деформація призводить до виникнення механічних напружень в п'єзоелектричній компоненті, а, отже, і до електричної поляризації, що з'являється внаслідок п'єзоелектричного ефекту. Очевидно, можливий і зворотний ефект. Зовнішнє електричне поле викликає деформацію п'єзоелектричній компоненти, що приводить до виникнення механічних напружень в п'єзомагнітних компоненті.

П'єзомагнітних компонента намагничивается завдяки п'єзомагнітних ефекту. Таким чином, композиційний матеріал характеризується новим властивістю - магнітоелектричним ефектом, що полягає у виникненні електричної поляризації в зовнішньому магнітному полі і в намагніченні в зовнішньому електричному полі.

Рис.1.1. Схема МЕ ефекту в композиційному матеріалі: 1 п'єзомагнітних компонента; 2 пружна компонента; 3 п'єзоелектричний компонента.

Більшість відомих магнітовпорядкованих матеріалів володіють магнітострикцією. Однак, п'єзомагнітних ефект в цих матеріалах не спостерігається [32]. Це означає, що деформація матеріалу, обумовлена ​​зовнішнім магнітним полем, залежить від величини поля нелінійно, а квадратично. З цієї причини МЕ ефект в композиційних матеріалах є нелінійним ефектом, в той час як МЕ ефект в монокристалічних матеріалах лине в широкому діапазоні значень електричного і магнітного полів. Це ускладнює використання композитів в лінійних пристроях.

Линеаризовать МЕ властивості композиційних матеріалів можна додатком до матеріалу подмагничивающего поля. В цьому випадку в інтервалі магнітних полів, малих порівняно з подмагничивающим полем, МЕ ефект буде близький до лінійного.

Вперше МЕ композити були отримані van den Boomgard і ін. Методом спрямованої кристалізації евтектичних композиції Fe-Co-Ti-Ba-O [33, 34]. Спрямована кристалізація сприяє утворенню шарів, що чергуються магнітної шпінелі і п'єзоелектричного перовскита. Процес спрямованої кристалізації вимагає ретельного контролю складу, особливо, коли один з компонентів (кисень) - газ. Дослідження отриманих таким чином композітовпоказало, що надлишок TiO2 (1.5% за вагою) дозволяє отримати велике значення МЕ коефіцієнта по напрузі aE = dE / dH = 62.8 мВ / A (50 мВ / см Е). Однак, інші склади показували більш низький МЕ коефіцієнт по напрузі (1.26 - 5.03 мВ / A). В подальшій роботі автори повідомили про ізмеренномМЕ коефіцієнті по напрузі aE = 163.4 мВ / A в евтектичною композиції ВаТiO3 - СоFе2О4, отриманої методом спрямованої кристалізації [35].

Це значення майже на порядок вище, ніж МЕ коефіцієнт по напрузі для монокристалічного Сг2О3, для якого aE = 25 мВ / A. За відомими значеннями МЕ коефіцієнта по напрузі і діелектричної проникності можна знайти більш релевантний параметр - МЕ воспріімчівостьa = dP / dH = aEe. Використовуючи величину відносної діелектричної проникності 500 для композиту і 11.9 для Сг2О3, отримуємо значення a = 7.22 • l0-10 с / м для композиту, яке приблизно в 270 разів більше, чемa = 2.67 • l0-12 с / м для Cr2O3.

В роботі [36] наведені результати вимірювань МЕ ефекту в керамічних композитах складу BaTiO3 - NiFe2O4, легованих кобальтом і марганцем.Максімальная величина МЕ коефіцієнта по напрузі склала 31.4 mV / A. Автори привели опис особливого методу поляризації зразків, в якому змінювалася полярність поля при температурі Кюрі [37]. Використання поля, створюваного просторовими зарядами в композиті, позволілоповисіть ступінь поляризації зразка. В роботі [38] повідомлено про дослідження керамічних МЕ композитів тієї ж системи з надлишком TiO2, вплив розміру частинок, швидкості охолодження і молярної концентрації обох фаз композиту. Для керамічних композитів складу BaTiO3 - Ni (Co, Mn) Fe2O4 вдалося отримати МЕ коефіцієнт по напрузі 100 mV / A.

Bunget і Raetchi повідомили про спостереження МЕ ефекту в композитах складу Ni-Zn феррит - ЦТС та його залежності від величини прикладеного магнітного поля [39-40]. В роботі [41] наведено опісаніешірокополосного датчика на основі композиту складу BaTiO3 - NiFe2O4, що працює на частотах до 650 кГц. При цьому величина МЕ коефіцієнта по напруги склала 3.8 мВ / А.

Дослідження фізичних властивостей композитів складу магній-марганцевий феррит - титанат барію показали, що вони проявляють як сегнетоелектрічеськие, так і феррімагнітниє властивості [42]. При цьому зразки з складами 30:70, 50:50, 70:30 і 90:10 вагових відсотків фериту і титанату барію мають як сегнетоелектричних, так і феромагнітним гистерезисом. Вимірювання п'єзоелектричних властивостей МЕ композитів показали, що частота п'єзоелектричного резонансу залежить від прикладеного магнітного поля [43]. При цьому максимальна зміна резонансної частоти склало 0.2% в магнітному полі 875 kA / m.

Велике значення для вирішення прикладних завдань має дослідження МЕ ефекту в шаруватих композитах на основі магнітострикційних металів (Fe, Ni, Co), сплавів (пермендюр, терфенол) і п'єзокераміки ЦТС [148-150]. У роботах [154-156] отримано максимальний МЕ ефект величиною 5В / А в багатошарових структурах на основі терфенола і ЦТС. Цей результат відкриває реальну можливість їх практичного застосування.

Вперше дослідження МЕ ефекту в шаруватих структурах феррит-п'єзоелектрик проведено авторський колектив даної роботи [80]. При впливі на п'єзоелектричну компоненту зовнішнього електричного поля спостерігався зрушення лінії ФМР ферритовой компоненти. Аналогічний ефект вперше спостерігався в об'ємному феррит-п'єзоелектричному композиційному матеріалі [81]. Детальний аналіз резонансних МЕ ефектів в парамагнітних і магнітовпорядкованих середовищах проведено Бічуріним М.І. [109], мікроскопічну теорію МЕ ефекту в області магнітного резонансу в магнітовпорядкованих кристалах з 3d- іонами представлена ​​в [131, 133], низькочастотна теорія МЕ ефекту і дисперсійні властивості в [132], теорія МЕ ефекту в гомогенних композитах і гетерогенних структурах в [ 133], застосування МЕ ефекту іустройства на його основі в [110, 111]. Нещодавно опублікований огляд Fiebig [153], в якому дано аналіз основних робіт по композиційним МЕ матеріалами.

попередній розділ | зміст | наступного розділ