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1、多铁性复合材料的研究进展(图文)论文导读：该种材料主要是将铁电相和铁磁相的片状材料通过粘合剂粘合而成，从早期的铁电相和铁磁相两层结构，到铁电-铁磁-铁电的三层结构。一般而言，要产生磁电耦合效应，其原理是铁磁相在磁场的作用下产生磁致伸缩，再通过压、拉铁电相产生电极化。关键词：多铁性复合材料，铁电相，铁磁相，磁电效应1 引言多铁性材料是指同时展现两种或两种以上铁的基本性能，如铁磁性、铁电性和铁弹性。在多铁性材料中，不同的铁性能能够产生一些新的效应，如磁电效应1-3、磁介效应4。正是由于这些新的效应，使得多铁性材料具有非常潜在的应用前景，可广泛用于转换器、传感器、电容器和存储设备等5。这也是越来越多
2、的研究人员从事这项研究的主要原因。一般而言，多铁性材料主要分为三种：单相材料、颗粒复合材料和层状（薄膜）复合材料6。其中后两项可统称为多铁性复合材料。磁电效应（又称ME效应）是多铁性材料的一个重要实际应用，磁电效应又可定义为“磁-机械力-电介”的一个耦合效应（又称磁电耦合效应）。即，在磁场的作用下，铁磁相由于磁致伸缩产生形变，从而对压电相产生力的作用而产生电极化现象，这种耦合的结果是在材料的两端产生一个电压差7 。而对于单相的多铁性材料而言，由于其磁电耦合系数一般比较小，并且只能在低温下才能显现出来，所以离实际应用还有很远的差距8 。 最新有研究报道单相多铁性材料Bi0.87La0.05Tb0
3、.08FeO3的磁电耦合系数为 9 。 这是最近有报道的最大值。因此，越来越多的人将目光集中在多铁性复合材料上，多铁性复合材料的研究也成为当前材料领域的一个研究热点。2 多铁性复合材料的研究进展最早的多铁性复合材料研究可追寻到20世纪70年代。免费论文网。这种复合材料是将铁电相BaTiO3和铁磁相CoFe2O4的颗粒均匀混合后烧结而成10。随后，各种不同的复合材料被不断制备出来，如NiFe2O4和Pb(Zr0.52Ti0.48)O3（NFO/PZT）11 、Pb(Zr0.52Ti0.48)O3和NiFe1.9Mn0.1O4(PZT-NFM)12等。研究也不再局限于将两相材料颗粒混合烧结，而出现
4、了层状复合，三相复合等。归纳起来，多铁性复合材料可以分为以下四种。2.1铁电相和铁磁相的颗粒复合材料主要是将铁磁磁致伸缩相和铁电压电相的纳米颗粒混合，通过烧结形成多铁性陶瓷材料。如文献10所述。在研究方面，主要是为了追求较好的铁磁和铁电性能，比如软铁磁性、大的介电常数和磁电耦合系数等。在选取两种复合材料时一般应尽量遵循以下原则：（1）两种复合相的比例要适中；（2）复合力度要均匀合适；（3）压电相的压电系数和磁致伸缩相的磁致伸缩系数要大；（4）采取恰当的极化措施对磁电转换效应影响很大；（5）压电相必须具有较高的电阻特性 13 。 因此，对于此类复合材料而言，研究主要集中在以下几个方面：首先是两相
5、的比例和烧结温度；其次是寻求磁致伸缩系数高的铁磁相和压电系数高的铁电相；此外，颗粒的大小也是不可忽视的。这种制备方法较为简单，磁电耦合系数较高，可以达到上百14，并且两相配比简单，烧结温度容易控制。烧结工艺比较简单，材料成本比较低，在烧结过程中铁电相与铁磁相一般要求不发生化学反应。2.2铁电相和铁磁相的层状复合材料该种材料主要是将铁电相和铁磁相的片状材料通过粘合剂粘合而成，从早期的铁电相和铁磁相两层结构，到铁电-铁磁-铁电的三层结构。一般而言，要产生磁电耦合效应，其原理是铁磁相在磁场的作用下产生磁致伸缩，再通过压、拉铁电相产生电极化。而产生电极化的前提条件是要求材料必须是绝缘体，即电阻越大越好
6、。而一般的铁磁相电阻相对较小，这也是铁电相和铁磁相的颗粒复合材料容易产生漏电流的原因。采用绝缘粘合剂将铁电相和铁磁相粘在一起的方法，可以有效防止漏电流的产生。层状磁电复合材料的主要特点是材料结构简单，制备方法简单，最主要的优点是可以得到很大的磁电耦合系数，室温下可达到几个甚至几十15，远远高于颗粒复合材料的值。2.3 加入聚合物的铁电相和铁磁相的复合材料一般是将铁电相和铁磁相混合入聚合物中，又可称之为聚合物固化法，该种方法也可以增大材料的电阻，从而有利于电极化的产生。早期研究主要是将铁电相和铁磁相的颗粒均匀混入聚合物中进行固化。随后，清华大学南策文研究小组在研究铁电相和铁磁相的层状复合材料的基
7、础上，将铁电材料PZT做成棒状结构，然后植入由稀土合金(Tb,Dy)Fe2(Terfenol-D)和树脂混合而成的基体中，又称之为1-3型结构16，如图1所示。这种结构可以产生较大的磁电效应，可达，是该小组早期研究的一般三相混合物（Terfeno1-D、PZT、PVDF聚合物）的4-8倍17， 这离实际运用更进了一步，并且还有一个显著的特点，就是在高频下，存在电机共振现象 16 。图1 铁电材料1-3型结构Fig.1 the 1-3mode structure of ferroelectric materials2.4 薄膜复合材料薄膜复合材料可分为两种，第一种是在铁电相（一般是单晶）镀上铁磁
8、相薄膜或铁磁相（一般是单晶）镀上铁电相薄膜；第二种是在基片上间隔着镀上铁电相和铁磁相的双层膜或多层膜18。镀膜的方法有很多种，常用的有匀胶法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法等。一般而言，薄膜复合材料的磁电效应不太明显，受膜的特性影响，实用性不强。免费论文网。但对于研究材料的某些物理性质而言，薄膜材料具有独到的优点。3 应用前景展望多铁性的研究是目前凝聚态物理及材料科学中的研究新领域；有着丰富的材料科学与物理共同的研究课题，并且有着可预期的广阔应用前景。首先，外部电场对自旋序的调控和外磁场对电极化的调控，使得人们在基于电荷序和自旋序设计的器件之外有了一个新的自由度来设计新器件；其次，磁电耦合使得多于
9、双态存储记录成为可能（如利用电极化来实现写入而利用磁场来读出）。即在磁场的作用下可以产生磁化强度和电极化强度，在电场的作用下可产生电极化强度和磁化强度，因而可以制成多种新型磁控或电控或同时磁控一电控器件。而对于铁电一铁磁性材料，不但具有磁电效应而且还具有铁电性(或反铁电性)和铁磁性(或反铁磁性)，因而可具有较高的介电常数和高的磁导率，所以可以制成小型或者微型的多功能电磁器件。免费论文网。在制作“理想”回相器、高密度存储器、多态记忆元、电场控制的磁共振装置、磁场控制的压电传感器和电场控制的压磁传感器等方面有着广阔的应用前景和极高的研究价值19 。参考文献1 J. vandenBOOMGAARD,
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