[发明专利]一种球壳层状磁电复合材料结构设计及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及球壳层状磁电复合材料结构设计和制备方法，特别是涉及电镀方法制备具有球壳结构各向同性磁电效应的功能复合材料。

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，它由两种单相材料一压电相和压磁相，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压电相与压磁相之间的乘积效应而实现的，这种乘积效应即磁电效应。对于一个平板磁电复合材料而言，在测试过程中，如果压电相的极化方向为厚度方向(3方向)，当外加偏置磁场H_DC和微分磁场δH沿着样品的长度方向时，得到的磁电转换系数记为α_E，31；当H_DC和δH沿着宽度方向时，得到的磁电转换系数记为α_E，32；当H_DC和δH沿着厚度方向时，得到的磁电转换系数记为α_E，33，如图1所示。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，它在微波领域、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，尤其磁场精确探测方面有许多突出的优点。

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。

层状磁电复合材料是近几年发展起来的磁电复合材料体系，相对于以前的颗粒复合磁电材料，克服了以往体系的电阻率低，不容易极化等弱点，而且采用具有巨磁致伸缩性的铽镝铁(Tb_1-xDy_xFe_2-y，Terfenol-D)等压磁相材料，磁电性能有巨大的提高，从mV/(cm·Oe)级别突破到V/(cm·Oe)级别，可以说是磁电复合材料制备上的一大飞跃，这类材料的制备主要以清华大学南策文组和南京大学刘俊明组为代表。具体报道见PHYSICAL REVIEW B 72，012405(2005)、PHYSICAL REVIEW B 71，014102(2005)和APPLIED PHYSICS LETTERS 86，202504(2005)。该层状磁电复合材料主要是利用传统热压或者粘接方法制备得到，它的结构比较简单，比如平板层状磁电复合材料。现有平板层状磁电复合材料，由于其在三维方向上的尺寸不是完全一致，这就导致了其在三维方向上的退磁因子不一样，最终导致了其在三维方向上的磁电性能不一样。也就是说，平板层状磁电复合材料的磁电性能是各向异性的。在利用平板层状磁电复合材料来探测磁电性能时，必须使得样品最大磁电性能的方向与被测磁场的方向一致，这样才能提高测试的精度而且准确探测磁场的大小。对于一个正方形的样品，其在长度方向的磁电性能(α_E，31)和宽度上的磁电性能(α_E，32)是一致的，如图2和图3所示。那么，在测试过程中保持磁场方向与宽度或者长度方向一致。而对于一个长方形样品来说，其在长度方向上的磁电性能大于宽度上的磁电性能，在长度方向上和宽度方向上探测一个固定大小的磁场是不一样的，如图4和图5所示。这就给未知方向的磁场探测带来了严峻的挑战，如果一个被测磁场的方向是未知的，我们用一个平板层状磁电复合材料就无法测试出其磁场的大小，也就是说传统平板磁电复合材料只能用于探测已知方向的磁场大小。

电镀法在制备功能材料方面有很大的潜力，特别是在制备磁性功能材料方面发挥了重要的作用。电镀可以加工几乎所有几何外形的工件，特别是在电镀超厚镀层方面有着物理沉积方法无法比拟的优越性，而且电镀需要的设备比较简单，工艺条件容易控制，很容易实行工业化生产。申请者利用电镀的方法得到了圆筒层状磁电复合材料，该结构利用传统制备方法无法制取。具体报道见APPLIEDPHYSICS LETTERS 92，052904(2008)和Journal of Physics D：Applied Physics 41，022002(2008)。因此，很容易利用电镀的方法制备一些特殊结构的层状磁电复合材料，比如球壳层状磁电复合材料。与现有的平板层状磁电复合材料相比，球壳层状磁电复合材料在任何方向上的尺寸都是一致的，这就决定了其在三维方向上的退磁因子是相同的，导致它在三维任何方向上的磁电性能是一致的。也就是说，球壳层状磁电复合材料具有各向同性磁电性能的特点，我们就可以利用该结构各向同性的特点来探测未知方向磁场的大小。

发明内容

本发明提供一种具有各向同性磁电性能的球壳层状磁电复合材料结构设计及制备方法。