PVDF/Terfenol-D/PZT磁电复合材料性能研究

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磁电复合材料以其在磁电探测器、微波等领域的实用潜力,引起了越来越多科研工作者的关注。本文以有机物聚偏氟乙烯(PVDF)为基体,分别借助于超磁致伸缩材料Tb-Dy-Fe合金(Terfenol-D)和压电材料锆钛酸铅(PZT)为铁磁填充材料和压电填充材料,制备了不同组成与结构的PVDF/Terfenol-D/PZT磁电复合材料,并研究了相关性能。  首先制备了PVDF/Terfenol-D/PZT三相磁电复合材料,固定PVDF与PZT的体积比为3:7,研究不同Terfenol-D含量对磁电复合材料性能的影响,得到Terfenol-D的最佳含量。结果显示,三相磁电复合材料的相对介电常数随Terfenol-D含量的增加而增大,随频率增加而减小;介电损耗随频率变化在约85KHz处发生机电耦合共振;三相磁电复合材料的压电常数和磁电耦合系数都随Terfenol-D含量的增大而先增大后减小,在Terfenol-D含量为3vol%时:压电常数d33为28.9pC·N-1、磁电耦合系数为16mV·cm-1·Oe-1。  由于Terfenol-D不仅磁致伸缩系数大,而且电导率也大,因此制备了上、下层均为PVDF和Terfenol-D(PVDF/Terfenol-D层),中间层是PVDF、Terfenol-D和 PZT(PVDF/Terfenol-D/PZT层)的层状结构材料。研究PVDF/Terfenol-D/PZT层Terfenol-D的含量对层状结构磁电复合材料介电、压电和磁电性能的影响。结果表明,层状结构的磁电复合材料相对介电常数随Terfenol-D含量的增加而增大,相对介电常数和介电损耗在680KHz处均发生了谐振,在此频率处,机电耦合性能最强;在PVDF/Terfenol-D/PZT层Terfenol-D含量为2vol%时,其压电常数d33最大,为34.1 pC·N-1;在PVDF/Terfenol-D/PZT层Terfenol-D含量为4vol%时,磁电耦合系数最大,为890 mV·c m-1·Oe-1。  制备了上、下层均为PVDF/Terfenol-D,中间层为PVDF/Terfenol-D/PZT的层状结构磁电复合材料,通过改变PVDF/Terfenol-D/PZT层与PVDF/Terfenol-D层的厚度,来解决磁电复合材料中Terfenol-D含量少、磁电性能差的问题。研究了不同层厚比(PVDF/Terfenol-D/PZT层厚度与样品总厚度比值)对层状结构的磁电复合材料相关电性能的影响。结果显示,层状结构的磁电复合材料的相对介电常数随层厚比的增加而减小;由于层厚比增大时,PZT的相对含量增大,因此压电常数随层厚比的增大而增大;在层厚比为4/7(Terfenol-D在层状结构磁电材料样品的总含量为33vol%)时,其磁电耦合系数为1105mV·c m-1·Oe-1。
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