3.1.5 Експериментальні дані
Важливо порівняти теоретичні оцінки, представлені на рис. 3.2-3.8 з експериментальними даними. Відомо лише кілька робіт, присвячених дослідженню шаруватих композитів, причому у всіх цих роботах розглядаються вільні зразки при поздовжньої і поперечної орієнтаціях магнітних і електричного полів. Дані щодо вимірювань в разі поздовжньої в площині зразка орієнтації полів відсутні. Наші вимірювання були виконані на шаруватих зразках, отриманих методом високотемпературного спікання, а також склеюванням плівкових шарів фериту або манганіту і ЦТС. Зразки були поляризовані в електричному полі. МЕ коефіцієнт вимірювався при впливі на зразок постійного і змінного магнітних полів.
Установка (рис. 3.9) для вимірювання МЕ ефекту [53, 60, 90] складається з постійного електромагніту, між сердечниками якого включені котушки Гельмгольца. Всередині котушок Гельмгольца поміщається досліджуваний матеріал (у вигляді пластинки). На пластинку з протилежних сторін нанесено спеціальне покриття (струмопровідний клей), яке служить електродами даного матеріалу. За допомогою спеціального затиску до електродів через підсилювач підключається вимірювальний прилад-осцилограф. Підсилювач має великий вхідний опір (близько 100 МОм) в порівнянні з осцилографом (1 МОм), що необхідно для забезпечення точності вимірювання. Підсилювач забезпечує максимальне посилення сигналу 60 Дб.
Електромагніт харчується від джерела постійного струму величиною напруги 250 В. Максимально можливе подмагничивающего поле при даному напрузі становить 3200 Е. Котушки Гельмгольца підключені до низькочастотного генератора, частота якого може змінюватися в межах 10 Гц - 100 кГц. За допомогою котушок Гельмгольца в зразку досліджуваного матеріалу створюється магнітне поле величиною 1 - 10 А / см.
При вимірі напруги, що знімається з зразка, необхідно враховувати вхідний опір підсилювача і внутрішній опір зразка (рис. 3.10). Напруга, індуковані в зразку, обчислювалося за формулою:
(3.36)
де 
- виміряне значення напруги, 
- опір матеріалу, 
- вхідний опір підсилювача, 
- ЕРС сигналу, що знімається з зразка.
Малюнок 3.9 Блок-схема установки для дослідження магнітоелектричного ефекту в ферит-п'єзоелектричних матеріалах: 1 - котушки Гельмгольца, 2 - зонд вимірювача магнітної індукції, 3 - досліджуваний матеріал
Мал. 3.10. Еквівалентна схема вимірювальної установки.
Напруженість електричного поля в матеріалі визначалася згідно з відомою формулою:
(3.37)
де d - товщина матеріалу.
МЕ коефіцієнт по напрузі обчислюється зі співвідношення:
αE = ΔE /? Н, (3.38)
де? Н - змінне магнітне поле створюване котушкою Гельмгольца.
Похибка вимірювань МЕ коефіцієнта по напрузі не перевищувала 6%.
Були виміряні МЕ коефіцієнти як функції поля підмагнічування для ряду об'ємних часток п'єзоелектричній фази.
Розглянемо спочатку композити складу феррит кобальту - ЦТС. На рис. 3.11 наведені результати вимірювань при кімнатній температурі МЕ коефіцієнта по напрузі на низьких частотах
Мал. 3.11. Концентраційна залежність поздовжнього (a) і поперечного (b) МЕ коефіцієнтів по напрузі композиту складу феррит кобальту - ЦТС: суцільна лінія - теорія для k = 0.1, точки - експеримент
(100-1000 Гц) в залежності від об'ємної частки п'єзоелектричній компоненти для клейових і спечених композитів. При цьому величина подмагничивающего поля відповідала максимуму МЕ коефіцієнта. Необхідна об'ємна частка компонент достігаласьподбором товщини шарів композиту.
Аналіз даних для поперечної і поздовжньої орієнтацій магнітних і електричного полів показує, що на залежності МЕ коефіцієнта по напрузі від об'ємної частки п'єзоелектричній компоненти є максимум. Однак, виміряні величини (рис. 3.11) на порядок менше, ніж теоретичні оцінки для k = 1 (рис. 3.3-3.4). Тому вважаємо за доцільне порівняти експериментальні дані з розрахунковими значеннями для слабкої зв'язку шарів композиту (k порядку 0.1). Мал. 3.11 ілюструє загальне відповідність між теоретичними значеннями для k = 0.1 і вимірюваними значеннями. З цього можна зробити висновок, що при будь-якому способі отримання композиту складу феррит кобальту - ЦТС межслоевой зв'язок виходить слабка. На можливі причини недостатньої зв'язку шарів ми зупинимося пізніше в цьому розділі.
Подібне порівняння теорії і експерименту для композиту складу феррит нікелю - ЦТС, однак, вказує на ідеальну межслоевой зв'язок. На рас. 3.12 приведена експериментальна концентрационная залежність МЕ коефіцієнта по напрузі для вільних зразків. Отримані в [62] дані для шаруватих композитів на основі заміщеного фериту нікелю і модифікованого ЦТС добре согласуютсяс даними, наведеними на рис. 3.13. Теоретичні значення (рис. 3.12) отримані для k = 1 і знаходяться в дуже хорошому злагоді з експериментальними даними, в особливості для v = 0.4-0.8. Додаткове підтвердження ефективного МЕ взаємодії в даному матеріалі представлено для МЕ коефіцієнта на рис. 3.13. Залежність a ¢ E, 31 від поля підмагнічування приведена для двох випадків: для вільного і абсолютно затиснутого зразка для v = 0.5. Залежність МЕ коефіцієнта від подмагничивающего поля подібна залежності п'єзомагнітних модуля від постійного магнітного поля для фериту. Ця залежність, що нагадує резонансну, обумовлена зміною п'єзомагнітних модулів q11 і q12 при зміні постійного магнітного поля. МЕ коефіцієнт зменшується до нуля в сильному магнітному полі, коли магнітострикція досягає насичення, внаслідок цього п'єзомагнітних модулі звертаються в нуль, і зникає магнітомеханічне зв'язок на змінному струмі. Теоретичні оцінки п'єзомагнітних модулів (рис. 3.13) отримані при використанні залежності магнитострикции від постійного магнітного поля за даними [62]. Згода між теоретичними значеннями МЕ коефіцієнта для k = 1 і експериментальними даними підтверджує ідеальність межслоевой контакту для даного композиту. Аналіз рис. 3.13позволяет зробити інший важливий висновок про зменшення поздовжнього МЕ коефіцієнта для абсолютно затиснутого зразка, що знаходиться в згоді з теорією (рис. 3.7). Подібне порівняння даних і теорії для поздовжніх полів було проведено для k = 1. Ми також виміряли збільшення поздовжнього коефіцієнта для затиснутих зразків, яке відповідає теорії.
Мал. 3.12. Концентраційна залежність поперечного МЕ коефіцієнта по напрузі композиту складу феррит нікелю - ЦТС: суцільна лінія - теорія для k = 1, точки - експеримент
Розглянемо тепер композит складу манганіт - ЦТС. На рис. 3.12 показана залежність МЕ коефіцієнта по напрузі від об'ємної частки п'єзоелектричній компоненти при поздовжньої і поперечної орієнтаціях полів для вільного і абсолютно затиснутого зразків. Значення МЕ коефіцієнта є найменшими серед трьох розглянутих складів матеріалів. При цьому максимум МЕ коефіцієнта спостерігався при v = 0.5. Теоретичні оцінки (рис. 3.11) для k = 1 значно перевищують виміряні значення. На рис. 3.12 показані розрахункові значення a ¢ E для k = 0.2, які знаходяться в задовільному згоді з експериментальними даними. Таким чином, можна зробити висновок про слабку межслоевой зв'язку в композиті складу манганіт - ЦТС, подібно складу феррит кобальту - ЦТС.
Розглянемо тепер композит складу манганіт - ЦТС. На рис. 3.14 показана залежність МЕ коефіцієнта по напрузі від об'ємної частки п'єзоелектричній компоненти при поздовжньої і поперечної орієнтаціях полів для вільного і абсолютно затиснутого зразків. Значення МЕ коефіцієнта є найменшими серед трьох розглянутих складів матеріалів. При цьому максимум МЕ коефіцієнта спостерігався при v = 0.5. Теоретичні оцінки (рис. 3.8) для k = 1 значно перевищують виміряні значення. На рис. 3.14 показані розрахункові значення a ¢ E для k = 0.2, які знаходяться в задовільному згоді з експериментальними даними. Таким чином, можна зробити висновок про слабку межслоевой зв'язку в композиті складу манганіт - ЦТС, подібно складу феррит кобальту - ЦТС.
Порівняння рис. 3.11-3.14 демонструє корисність представленої моделі для пояснення особливостей МЕ взаємодії в шаруватих матеріалах, обумовленого механічними деформаціями фаз композиту.
Мал. 3.13. Залежність поперечного МЕ коефіцієнта по напрузі від подмагничивающего поля H0 для вільного (a) і абсолютно затиснутого (b) зразків композиту складу феррит нікелю - ЦТС для k = 1: суцільна лінія - теорія, точки - експеримент
Мал. 3.14. Концентраційна залежність поперечного (a) і поздовжнього (b) МЕ коефіцієнтів по напрузі композиту складу манганіт - ЦТС: суцільна лінія - теорія для k = 0.2, точки - експеримент
Зазначимо можливу причину слабкої межслоевой зв'язку в композитах складів феррит кобальту - ЦТС та манганіт - ЦТС, а також ідеальною зв'язку в композиті складу феррит нікелю - ЦТС. Параметр k є чутливим до механічних, структурним, хімічним і електромагнітним параметрам фаз композиту. Високотемпературне спікання, яке використовують для отримання зразка, необхідно для забезпечення механічного контакту. Але процес спікання, ймовірно, призводить до структурних мікроскопічним і хімічним неоднородностям, які мають несприятливий вплив на матеріальні параметри і, отже, на k. Однак, необхідно відзначити, що поганий межслоевой контакт в композиті на основі фериту кобальту і ЦТС також відзначений для клейових зразків, процес виготовлення яких не включає високотемпературне спікання. Слабку межслоевой зв'язок в цьому випадку можна пояснити неефективною магнітомеханічній зв'язком. Коефіцієнт магнітомеханічній зв'язку визначається формулою km = (4pl ¢ mr / E) 1/2, де E - модуль Юнга. Динамічна магнітострикційна константа l ¢ та реверсивна магнітна проникність mr - параметри, аналогічні п'єзомагнітних модулю і початкової магнітної проникності. У ферритах, при впливі постійного і змінного магнітних полів, рух доменних стінок і обертання доменів вносить вклад в Магнітострикція і п'єзомагнітних зв'язок. Необхідною умовою для сильної п'єзомагнітних зв'язку є безперешкодний рух кордонів доменів і їх обертання. Магнитомягкий феррит з високою початковою магнітною проникністю, яким є ферит нікелю, характеризується великим значенням коефіцієнта магнітомеханічній зв'язку і сильним МЕ ефектом. Наші виміри показали, що початкова магнітна проникність фериту нікелю дорівнює 20, а для фериту кобальту і манганіту лантану - 2-3. Таким чином, сильне МЕ взаємодія в композиті складу феррит нікелю пов'язано частково з полегшеним рухом доменів.
попередній розділ | зміст | наступного розділ
