[发明专利]一种多场耦合制备磁电复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁电复合材料的方法，特别是涉及力、热、磁多场耦合制备层状磁电复合材料的方法。 

背景技术

磁电复合材料是一种具有磁电转换功能的新材料，它由两种单相材料--铁电相和铁磁相经一定方法复合而成。磁电复合材料的磁电转换功能是通过铁电相和铁磁相的乘积效应实现的，这种乘积效应即磁电效应。在测试过程中如果测试表面与偏置磁场H_DC和亥姆赫兹线圈产生的微分磁场δH平行，那么测试的磁电耦合系数α_E/（δH×t）=α_E31，（t为铁电相的厚度）反之，如果测试表面与H_DC和δH垂直，那么测试的磁电耦合系数α_E/（δH×t）=α_E33。由于磁电复合材料同时具备压电性、压磁性和磁电性的独特性能，其在微波领域、高压输电线路的电流测量、宽波段磁探测、磁场感应器等领域有着广泛而重要的用途，尤其是微波器件、高压电输送系统中电磁泄露的精确测量方面有许多突出的优点。磁电复合材料的研究引起了各国材料科学工作者的重视。 

高性能和易制备是磁电复合材料的主要目标，为了达到这两个目标，人们选取高性能的组分，根据组分设计合理的结构，以一定的制备工艺，制备一系列的磁电复合材料。 

Terfenol-D是具有大磁致伸缩应变（λ高达1800ppm）的、稀土金属Tb、Dy和过渡金属Fe的合金(Tb0.3Dy0.7Fe1.93)。Terfenol-D应变产生的推力大、λ与磁场H线性好、能量密度高、能量转换效率高、响应速度快、工作电压低、可靠性高。因此，Terfenol-D具有高效能量转换、精密位移控制、超声、振动、传感等多种功能，可广泛应用到机械、电子、石油、纺织、军事等，是一种重要的新型多功能材料，美国将其列为21世纪战略性功能材料，对我国实行禁运。 

随着磁电耦合研究深入，人们发现Terfenol-D铁磁材料与压电陶瓷（PZT）铁电材料组成的复合多层磁电耦合材料具有很好的耦合效应。因此，Terfenol-D是磁电耦合材料及其元器件的首选的铁磁材料之一。W. Eerenstein1, N. D. Mathur 和 J. F. Scott研究表明：定向凝固Terfenol-D/PZT的磁电耦合系数达到4.8V·cm^-1·Oe^-1，系已知最大的的磁电耦合系数；粘结Terfenol-D复合材料/PZT的磁电耦合系数达到 3V·cm^-1·Oe^-1，位居第二。Terfenol-D有望应用于高灵敏度、小型化的磁电耦合元器件领域。 

粘结Terfenol-D复合材料的磁致伸缩应变不高于1000ppm，只有定向凝固Terfenol-D饱和磁致伸缩应变的55%。随机取向的粘结Terfenol-D复合材料磁致伸缩应变理论值是1200ppm，单一压力场的传统粉末压制工艺很难进一步提高材料的磁致伸缩应变。如果充分利用Terfenol-D的磁晶各向异性和粉末形状各向异性，在一定的温度下磁场成形，获得高取向度<110>或<112>织构，其磁致伸缩应变和压磁系数将大大提高，其值分别为λ=1600 ppm和d₃₃=14 nm/A。 

发明内容

本发明的目的主要采用力、热、磁多场耦合方法制备择优取向的粘结Terfenol-D磁体，通过胶粘的方法，与PZT复合形成高性能层状磁电复合材料，有效提高磁电性能。 

本发明所述的多场耦合制备磁电复合材料的方法如下： 

一种多场耦合制备磁电复合材料的方法，其特征在于：将小于250μm的Terfenol-D稀土超磁致伸缩材料粉末与粘结剂、偶联剂按比例装入密闭容器中均匀混合，得到混合粉体，其中粘结剂重量为稀土超磁致伸缩材料粉末重量的3~50%，偶联剂重量为稀土超磁致伸缩粉末重量的0.1~0.3%； 

将混合粉体装入成形模具中，保温1~5分钟，并施加5MPa预制压力，其中成形模具升温至预订的室温~130℃；在取向磁场为0~2特斯拉的直流磁场和成形压力为80~300 MPa的压力下，保持压力20秒~2分钟，得到粘结磁体胚体； 

将粘结磁体胚体放入保温箱中，固化温度为80~100 ℃，固化时间为2~24 小时，得到粘结磁体； 

将粘结磁体和极化好的压电陶瓷片采用室温固化胶粘剂胶粘形成层状磁电复合材料。