一種多場耦合製備磁電複合材料的方法
2023-06-27 18:34:16 1
專利名稱：一種多場耦合製備磁電複合材料的方法
技術領域：
本發明涉及磁電複合材料的方法，特別是涉及力、熱、磁多場耦合製備層狀磁電複合材料的方法。
背景技術：
磁電複合材料是一種具有磁電轉換功能的新材料，它由兩種單相材料一鐵電相和鐵磁相經一定方法複合而成。磁電複合材料的磁電轉換功能是通過鐵電相和鐵磁相的乘積效應實現的，這種乘 積效應即磁電效應。在測試過程中如果測試表面與偏置磁場Hdc和亥姆赫茲線圈產生的微分磁場SH平行，那麼測試的磁電耦合係數CIe/ ( 5HXt)=aE31,(t為鐵電相的厚度)反之，如果測試表面與Hdc和δ H垂直，那麼測試的磁電耦合係數CIe/(δ HXt) = α Ε33。由於磁電複合材料同時具備壓電性、壓磁性和磁電性的獨特性能，其在微波領域、高壓輸電線路的電流測量、寬波段磁探測、磁場感應器等領域有著廣泛而重要的用途，尤其是微波器件、高壓電輸送系統中電磁洩露的精確測量方面有許多突出的優點。磁電複合材料的研究引起了各國材料科學工作者的重視。高性能和易製備是磁電複合材料的主要目標，為了達到這兩個目標，人們選取高性能的組分，根據組分設計合理的結構，以一定的製備工藝，製備一系列的磁電複合材料。Terfenol-D是具有大磁致伸縮應變(λ高達1800ppm)的、稀土金屬Tb、Dy和過渡金屬Fe的合金(TbO. 3DyO. 7Fel. 93)。Terfenol-D應變產生的推力大、入與磁場H線性好、能量密度高、能量轉換效率高、響應速度快、工作電壓低、可靠性高。因此，Terfenol-D具有高效能量轉換、精密位移控制、超聲、振動、傳感等多種功能，可廣泛應用到機械、電子、石油、紡織、軍事等，是一種重要的新型多功能材料，美國將其列為21世紀戰略性功能材料，對我國實行禁運。隨著磁電耦合研究深入，人們發現Terfenol-D鐵磁材料與壓電陶瓷(PZT)鐵電材料組成的複合多層磁電耦合材料具有很好的耦合效應。因此，Terfenol-D是磁電耦合材料及其元器件的首選的鐵磁材料之一。W. Eerensteinl, N. D. Mathur和J. F. Scott研究表明定向凝固Terfenol-D/PZT的磁電I禹合係數達到4. 8V · cnT1 · Oe4,系已知最大的的磁電稱合係數；粘結Terfenol-D複合材料/PZT的磁電稱合係數達到3V · cnT1 · Oe—1,位居第二。Terfenol-D有望應用於高靈敏度、小型化的磁電稱合元器件領域。粘結Terfenol-D複合材料的磁致伸縮應變不高於IOOOppm,只有定向凝固Terfenol-D飽和磁致伸縮應變的55%。隨機取向的粘結Terfenol-D複合材料磁致伸縮應變理論值是1200ppm,單一壓力場的傳統粉末壓制工藝很難進一步提高材料的磁致伸縮應變。如果充分利用Terfenol-D的磁晶各向異性和粉末形狀各向異性,在一定的溫度下磁場成形，獲得高取向度〈110〉或〈112〉織構，其磁致伸縮應變和壓磁係數將大大提高，其值分別為 λ =1600 ppm 和 d33=14 nm/A
發明內容
本發明的目的主要採用力、熱、磁多場耦合方法製備擇優取向的粘結Terfenol-D磁體，通過膠粘的方法，與PZT複合形成高性能層狀磁電複合材料，有效提高磁電性能。本發明所述的多場耦合製備磁電複合材料的方法如下—種多場稱合製備磁電複合材料的方法，其特徵在於將小於250 μ m的Terfenol-D稀土超磁致伸縮材料粉末與粘結劑、偶聯劑按比例裝入密閉容器中均勻混合，得到混合粉體，其中粘結劑重量為稀土超磁致伸縮材料粉末重量的:Γ50%，偶聯劑重量為稀土超磁致伸縮粉末重量的O.1 "O. 3% ；將混合粉體裝入成形模具中，保溫I飛分鐘，並施加5MPa預製壓力，其中成形模具升溫至預訂的室溫 130°C;在取向磁場為(Γ2特斯拉的直流磁場和成形壓力為8(T300 MPa的壓力下，保持壓力20秒 I分鐘，得到粘結磁體胚體；將粘結磁體胚體放入保溫箱中，固化溫度為8(T100 °C，固化時間為疒24小時，得到粘結磁體；將粘結磁體和極化好的壓電陶瓷片採用室溫固化膠粘劑膠粘形成層狀磁電複合材料。進一步的，所述粘結劑為酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺-甲醛樹脂、環氧樹脂、不飽和樹脂、聚氨酯、聚醯亞胺熱固性樹脂的一種或者幾種的混合。進一步的，如權利要求1所述的一種多場耦合製備磁電複合材料的方法，其特徵在於，所述偶聯劑為矽烷偶聯劑或鈦酸酯偶聯劑的一種或兩種的混合。進一步的，所述壓電陶瓷片為已極化的鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇壓電陶瓷。進一步的，所述粘 結磁體和極化好的壓電陶瓷片所用的室溫固化膠粘膠為雙組分膠粘劑。本發明的有益效果在於與現有技術相比，由於本發明採用了力、熱、磁多場耦合方式製備磁電複合材料，可以製備擇優取向的粘結磁體，有利於提高其磁電性能。
圖1表示室溫壓制無取向磁場的磁電複合材料磁電性能隨頻率變化規律；圖2表示130°C壓制無取向磁場的磁電複合材料磁電性能隨頻率變化規律；圖3表示130°C壓制2特斯拉取向磁場的磁電複合材料磁電性能隨頻率變化規律。
具體實施例方式實施例1將小於250 μ m的Terfenol-D稀土超磁致伸縮材料粉末與環氧樹脂E-12粘結劑、矽烷(KH550)偶聯劑按比例裝入密閉容器中均勻混合，得到混合粉體，其中粘結劑重量為稀土超磁致伸縮材料粉末重量的3%，偶聯劑重量為稀土超磁致伸縮粉末重量的O. 1% ;將混合粉體裝入成形模具中，保溫I分鐘，並施加5MPa預製壓力，其中成形模具保持室溫；在取向磁場為O特斯拉的直流磁場和SOMPa的成形壓力下，保持壓力2分鐘，得到粘結磁體胚體；將粘結磁體胚體放入80°C保溫箱中固化2小時得到粘結磁體；將粘結磁體和極化好的壓電陶瓷片採用江西省西南化工有限公司生產的914AB膠膠粘形成層狀磁電複合材料；將層狀磁電複合材料放入磁電測試系統中測試，得到其磁電性能如圖1所示。
實施例2將小於250 μ m的Terfenol-D稀土超磁致伸縮材料粉末與環氧樹脂E-12粘結劑、矽烷(KH550)偶聯劑按比例裝入密閉容器中均勻混合，得到混合粉體，其中粘結劑重量為稀土超磁致伸縮材料粉末重量的50%，偶聯劑重量為稀土超磁致伸縮粉末重量的O. 3% ;將混合粉體裝入成形模具中，保溫5分鐘，並施加5MPa預製壓力，其中成形模具保持130°C ；在取向磁場為O特斯拉的直流磁場和300MPa的成形壓力下，保持壓力20秒鐘，得到粘結磁體胚體；將粘結磁體胚體放入100°C保溫箱中固化24小時得到粘結磁體；將粘結磁體和極化好的壓電陶瓷片採用江西省西南化工有限公司生產的914AB膠膠粘形成層狀磁電複合材料；將層狀磁電複合材料放入磁電測試系統中測試，得到其磁電性能如圖2所示。實施例3將小於250 μ m的Terfenol-D稀土超磁致伸縮材料粉末與環氧樹脂E-12粘結劑、矽烷(KH550)偶聯劑按比例裝入密閉容器中均勻混合，得到混合粉體，其中粘結劑重量為稀土超磁致伸縮材料粉末重量的23%，偶聯劑重量為稀土超磁致伸縮粉末重量的O. 2% ;將混合粉體裝入成形模具中，保溫3分鐘，並施加5MPa預製壓力，其中成形模具保持室溫；在取向磁場為2特斯拉的直流磁場和200MPa的成形壓力下，保持壓力I分鐘，得到粘結磁體胚體；將粘結磁體胚體放入90°C保溫箱中固化12小時得到粘結磁體；將粘結磁體和極化好的壓電陶瓷片採用江西省西南化工有限公司生產的914AB膠膠粘形成層狀磁電複合材料；將層狀磁電複合材料放入 磁電測試系統中測試，得到其磁電性能如圖3所示。
權利要求
1.一種多場稱合製備磁電複合材料的方法,其特徵在於將小於250 μ m的Terfenol-D稀土超磁致伸縮材料粉末與粘結劑、偶聯劑按比例裝入密閉容器中均勻混合，得到混合粉體，其中粘結劑重量為稀土超磁致伸縮材料粉末重量的3 50%， 偶聯劑重量為稀土超磁致伸縮粉末重量的O. Γ0. 3% ； 將混合粉體裝入成形模具中，保溫I飛分鐘，並施加5MPa預製壓力，其中成形模具升溫至預訂的室溫 130°C ;在取向磁場為0 2特斯拉的直流磁場和成形壓力為8(T300 MPa的壓力下，保持壓力20秒 I分鐘，得到粘結磁體胚體； 將粘結磁體胚體放入保溫箱中，固化溫度為8(T100 °C，固化時間為疒24小時，得到粘結磁體； 將粘結磁體和極化好的壓電陶瓷片採用室溫固化膠粘劑膠粘形成層狀磁電複合材料。
2.如權利要求1所述的一種多場耦合製備磁電複合材料的方法，其特徵在於，所述粘結劑為酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺-甲醛樹脂、環氧樹脂、不飽和樹脂、聚氨酯、聚醯亞胺熱固性樹脂的一種或者幾種的混合。
3.如權利要求1所述的一種多場耦合製備磁電複合材料的方法，其特徵在於，所述偶聯劑為矽烷偶聯劑或鈦酸酯偶聯劑的一種或兩種的混合。
4.如權利要求1所述的一種多場稱合製備磁電複合材料的方法，其特徵在於，所述壓電陶瓷片為已極化的鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇壓電陶瓷。
5.如權利要求1所述的一種多場稱合製備磁電複合材料的方法，其特徵在於，所述粘結磁體和極化好的壓電陶瓷片所用的室溫固化膠粘膠為雙組分膠粘劑。
全文摘要
一種多場耦合製備磁電複合材料的方法，涉及磁電複合材料的方法，特別是涉及力、熱、磁多場耦合製備層狀磁電複合材料的方法。按要求將粒度為小於250μm的稀土超磁致伸縮材料粉末與粘結劑、偶聯劑按比例裝入密閉容器中均勻混合，得到混合粉體；將帶溫控裝置的成形模具升溫至預訂溫度，並裝入混合粉體，保溫一段時間以後，施加5MPa預製壓力；施加一定的取向磁場和一定的成形壓力，保壓一段時間以後，得到粘結磁體胚體；將粘結磁體胚體放入保溫箱中固化一定時間得到粘結磁體；將粘結磁體和極化好的壓電陶瓷片採用室溫固化膠粘劑膠粘形成層狀磁電複合材料；將層狀磁電複合材料放入磁電測試系統中測試，得到其磁電性能。與現有技術相比，由於本發明採用了力、熱、磁多場耦合方式製備磁電複合材料，可以製備擇優取向的粘結磁體，有利於提高其磁電性能。
文檔編號H01L43/12GK103066201SQ201310020390
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月21日 優先權日2013年1月21日
發明者潘德安, 張深根, 左志軍, 王姣, 田建軍 申請人:北京科技大學