磁电材料层状结构中的声表面波传播研究

磁电材料声表面波器件的研究，以及以此为背景的磁电声表面波的理论分析和实验研究，是目前磁电材料应用研究的重要领域和研究热点之一。本项目从磁电弹性理论出发，结合材料学、电磁场理论、电路理论，对薄膜磁电层状结构中的声表面波传播进行深入研究，揭示其在温度、初应力和加速度等偏场作用下的非线性特性，探究上述偏场对表面波传播的相速度、机电耦合系数等的影响；研究在外加电场或者磁场作用下磁电结构中声表面波的传播特性，研究粘性流体（牛顿流体）介质对磁电材料层状结构中的表面波的作用，阐明相速度和能量衰减的变化规律。这项研究将使磁电结构中声表面波传播理论得到深化，并建立磁电材料层状结构中声表面波传播分析的系统方法，从而为相关的薄膜磁电声波器件的研制提供理论依据。

磁电材料是具有力电磁耦合特性的新型信息智能材料。磁电介质中的声表面波传播研究有助于深化磁电材料声波理论，对开发高性能磁电传感器、谐振器等具有重要意义。本项目基于磁电和压电弹性理论，研究磁电与压电层状结构中声表面波在不同结构形式、材料组合和边界条件下的传播特性，考虑电磁学开路和电磁学短路以及压磁压电材料参数变化对波传播相速度的影响。针对磁电层状结构中普遍存在的初应力，研究其对表面波传播的作用，以及磁电材料作为陀螺仪应用时的旋转角速度、哥氏加速度等作用下结构中声表面波传播的效应。分析结果表明，初应力对磁电结构中的Rayleigh传播具有显著影响，相速度随着初应力的增加而增大。旋转加速度对半无限大磁电结构中的Rayleigh波传播的相速度也有明显作用。研究了具有粘弹性质量层的压电和磁电结构中波的传播，采用复弹性常数表示材料粘性。分析结果表明，材料粘性降低波传播的相速度，增大了波的衰减。研究了外加电场和磁场对波传播的影响，分析电场和磁场对波传播的相速度、位移、电势等的作用。从计算结果可以得到在较高的外加电场和磁场作用下，磁电结构中的Rayleigh波波速会有明显改变。研究磁电结构中的反平面剪切波在粘性流体中传播特性，阐明粘性流体对相速度、能量衰减等的作用规律，并考虑了非完整界面的影响，可以看出流体粘性降低了波速度，并增大了波的衰减。相速度随着界面非完整因子的增加而降低。分析了具有粘性流体的功能梯度压磁层状结构中SH波的传播特性。假设压磁层材料常数如弹性模量和压磁系数呈梯度变化，利用传递矩阵法，分析了梯度因子对相速度和频率的影响。开展了偏场作用下的磁电结构振动的实验研究，搭建了偏场作用下磁电效应测试平台，探究偏场对谐振频率和磁电电压转换系数的影响规律。同时利用Comsol多物理场软件，对多层磁电复合材料振动特性进行了有限元分析计算，并和实验结果进行了比较。利用RUSpec超声共振频谱法测量系统，开发了针对各向异性晶体的测试软件，并开展了三角晶系、单斜晶系和六方晶系的弹性常数测试。本项目的研究成果可以为相关的电场或磁场控制的传感器以及谐振器、俘能器等的研制提供分析方法和理论依据。