CC BY
11
УДК 537.9
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА МАГНИТОСТРИКЦИОННО-ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ
В.С.Леонтьев, Т.М.Бичурин, В.Н.Лобекин, Г.А.Семенов
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF THERMOMAGNETIC TREATMENT ON THE MAGNETOSTRICTIVE-PIEZOELECTRIC STRUCTURE
V.S.Leont'ev, T.M.Bichurin, V.N.Lobekin, G.A.Semenov
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
Магнитоэлектрические (МЭ) композиты характеризуются наличием гигантского МЭ эффекта, в отличие от известных однофазных структур. Исследования МЭ композитов открыли широкие возможности для создания различных приложений. В данной статье приведены результаты исследований магнитострикционно-пьезоэлектрических структур. Исследовались магнитоэлектрические элементы, состоящие из пьезоэлектрика ЦТС-19 с размерами 30*10*0,5 мм и обкладок метгласа АМАГ-200С соответствующего размера. Проведено сравнение магнитоэлектрических структур до и после термомагнитной обработки. В результате, после термомагнитной обработки наблюдалось увеличение МЭ коэффициента практически на 50%. Ключевые слова: магнитоэлектрический эффект, магнитоэлектрическая структура, термомагнитная обработка, электромеханический резонанс
Magnetoelectric (ME) composites are known to enable the achievement of ME voltage coefficients many orders of magnitude larger than previously reported values for single phase materials. The advancements have opened up many possibilities for application in various fields. In this paper, the results of investigations of magnetostrictive-piezoelectric structures are presented. We investigated magnetoelectric elements consisting of piezoelectric PZT-19 with dimensions of 30*10*0.5 mm and Metglas AMAG-200C plates of the appropriate size. The magnetoelectric structures were compared before and after thermomagnetic treatment. As a result, after the treatment, an increase in the ME coefficient by almost 50% was observed.
Keywords: magnetoelectric effect, magnetoelectric structure, thermomagnetic treatment, electromechanical resonance
Введение
В последние годы интенсивно изучается магнитоэлектрический (МЭ) эффект в магнитострикционно-пьезоэлектрических структурах для создания датчиков магнитного поля, преобразователей и сборщиков энергии [1-4]. В материалах такого рода МЭ эффект проявляется как результат взаимодействия магнитострикци-онной и пьезоэлектрической фаз компонентов, т.е. электрическая поляризация индуцируется внешним переменным магнитным полем в присутствии подмаг-ничивающего поля. Значение МЭ эффекта характеризуется МЭ коэффициентом по напряжению аЕ = E/H.
Оптимизация МЭ свойств композитных структур представляет большой интерес для различных приложений. Основными преимуществами устройств, основанных на МЭ эффекте, являются высокая чувствительность и возможность работы при комнатной температуре.
В данной работе показана возможность оптимизации магнитострикционной компоненты путем
получения «однодоменной» структуры при помощи термомагнитной обработки (рис.1).
Термомагнитная обработка метгласа
Правильное понимание и оценка возможности оптимизации МЭ свойств композитных структур, в частности МЭ коэффициента, является важным компонентом при разработке приложений на основе МЭ эффекта (датчики тока, датчики магнитного поля и т.д.). В качестве магнитострикционной компоненты МЭ композита был выбран аморфный сплав метглас АМАГ-200С с размерами 30x10x0,02 мм производства ПАО «Мстатор». Термомагнитная обработка материала проводилась на специализированной нагревательной поверхности. Для устранения нежелательного влияния внешних магнитных воздействий нагревательная поверхность должна быть немагнитной. Образцы метгласа нужных размеров необходимо вырезать заранее, т.к. в результате термомагнитной обработки материал становится хрупким и механическая обработка усложняется. Пластины метгалса устанав-
ливались в центр нагревательной области и распределения постоянного магнитного поля (рис.2).
4
Л 2 /
Рис.2. Схематичное изображение стенда для термомагнитной обработки пластин метгласа: 1) постоянные магниты; 2) нагревательный элемент; 3) экспериментальный образец метглас АМАГ-200С; 4) тесламетр
Экспериментальные образцы нагревались до 400°С в течение 7 минут, далее выдерживались 30 минут при приложенном продольном постоянном магнитном поле, затем в течение 10 минут — охлаждение до комнатной температуры.
Магнитоэлектрическая структура
Для оценки МЭ эффекта была изготовлена МЭ структура, состоящая из пластины пьезокерамики ЦТС-19 с размерами 30*10*0,5 и обкладок метгласа АМАГ-200С с размерами 30*10*0,02 мм (рис.3).
Пластины метгласа соединялись с пластиной пьезокерамики посредством клея, толщина клеевой прослойки не превышает 20 мкм. Полученный образец помещается под пресс и сохнет в течение 24 часов.
Результаты
Измерения МЭ эффекта проводились на измерительном стенде (рис.4), включающем в себя источник питания Hameg НМР404, генератор сигналов Hameg НМБ2550, постоянный магнит, катушку индуктивности, осциллограф Hameg НМ0722 и магнитометр.
Источник постоянного
магнитного
Источник переменного поля
магнитного поля .1
Катушка Чувстви-
Генератор Индукшв —? тельный
ности элемент
Осциллограф
Рис.3. Магнитоэлектрическая структура: 1) магнитострикци-онные пластины метглас АМАГ-200С; 2) клеевая прослойка; 3) пластина пьезокерамики ЦТС-19; 4) электроды
Рис.4. Структурная схема измерительного стенда
Для сравнительного анализа была изготовлена идентичная МЭ структура, магнитострикционные обкладки которой не подвергались термомагнитной обработке. Полученные экспериментальные результаты представлены на рис.5.
Из графика выше видно, что величина МЭ коэффициента в структуре с метгласом, прошедшим термомагнитную обработку, значительно выше и составляет 5600 мВ/см*Э при = 46,8 кГц. В структуре с метгласом, не подвергающимся термомагнитной обработке, МЭ коэффициент составлял 3804 мВ/см*Э
3
1
1
при fp = 48 кГц. Увеличение МЭ коэффициента происходит в результате оптимизации магнитных свойств Метгласа. На наш взгляд, изменение величины МЭ коэффициента свидетельствует об изменении величины пьезомагнитного коэффициента qm, который прямо пропорционален МЭ эффекту:
дЕ
аМЕ =дн ^ qmqp, (1)
где Е — электрическое поле, Н — магнитное поле, qm — пьезомагнитный коэффициент, qp — пьезоэлектрический коэффициент.
Заключение
В данной статье показана возможность улучшения магнитных характеристик аморфного сплава мет-глас АМАГ-200С производства ПАО «Мстатор» путем термомагнитной обработки. Наблюдается значительное увеличение МЭ коэффициента от 3804 мВ/см*Э до 5600 мВ/см*Э.
Данный результат имеет высокую практическую значимость для магнитоэлектрических сенсоров, основанных на МЭ эффекте (датчики тока, магнитометры и т.д.).
В дальнейшем планируется проведение исследований термомагнитной обработки в вакууме и других газовых средах, подробное исследование магнитных свойств Метгласа, подбор оптимального температурного режима термообработки.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №18-32000386, подготовка экспериментальных образцов выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №17-48-530190.
1. Schmid H., Janner A., Grimmer H., Rivera J.-P., Ye Z., eds. Proceedings of the 2nd International Conference on Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals, MEIPIC-2. Ferroelectrics, 1994, vols. 161-162.
2. Bichurin M.I., ed. Proceedings of the 3rd International Conference on Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals, MEIPIC-3. Ferroelectrics, 1997, vol. 204.
3. Bichurin M., Viehland D., eds. Magnetoelectricity in Composites. Singapore, Pan Stanford Publishing, 2012. 273 p.
4. Bichurin M.I., Petrov V.M. Modeling of magnetoelectric effects in composites. Springer Series in Materials Science. Vol. 201. Springer, New York, 2014. 108 p.
