层状磁电复合材料的化学镀制备与磁电耦合效应

层状磁电复合材料因为可以利用铁磁相的磁致伸缩效应和铁电相的压电效应的乘积特性来实现磁与电的直接转换而受到了广泛的关注。但由于两相之间中间层的存在，如粘接复合结构中的粘接层或电镀复合结构中的电极层，严重影响了磁电耦合的强度。（1）本项目拟采用化学镀法获得铁磁层与铁电层直接接触的层状磁电复合材料，探讨镀液组成、温度及pH值对镀层材料的结构与性能的调控。（2）分析镀层显微组织、界面粗糙度、层厚比以及材料的应力对磁电耦合效应的影响，从本质上揭示不存在中间层情况下的层状复合材料的磁电效应与磁-力-电耦合机制。（3）优化工艺，研究几种基于该类材料的复杂形状及微型结构，最终得到一类铁磁层与铁电层直接耦合的磁电电压系数大的层状磁电复合材料。本课题的研究将为磁电器件的设计和应用提供材料基础。

层状磁电复合材料因为可以实现磁与电的直接转换而受到广泛关注。但是到目前为止，铁磁相和铁电相之间的直接磁电耦合还没有实现。尺寸、形状、界面因素、磁致伸缩相与压电相的组织结构与性能、应力状态与边界条件等对磁电复合材料与结构的磁电性能的影响认识尚不深入。多谐振频率或低频、低偏置磁场、高磁电电压系数的磁电复合材料与结构也有待进一步开发。本项目在分析化学镀镍或铁钴的热力学可能性和反应机理的基础上，研究了化学镀工艺参数对镀层组织与性能的影响，并采用化学镀法制备出了磁致伸缩相和压电相直接结合且两相达到足够厚度的一系列层状磁电复合材料，消除了中间层的影响，实现了理想的磁电耦合。研究了尺寸、形状、界面因素、磁致伸缩相与压电相的组织结构与性能等对磁电复合材料与结构的磁电性能的影响规律，取得了一系列研究成果，比如，我们发现，粗糙界面反而有利于获得大的磁电电压系数，可以通过调节层厚比、曲率、三维尺寸、各相组织与性能以及铁磁相的梯度次序等来调节谐振频率与最优偏置磁场、获得较大的磁电电压系数或零偏置。基于压电和压磁本构方程建立层状磁电复合材料中的界面耦合模型，推导出磁电电压系数与界面耦合系数之间的关系，证明了两相直接接触具有更好的界面耦合效应。比较了不同应力模式与边界条件下磁电复合材料的性能，发现应力模式的变化只能影响磁电电压系数的大小，而不会改变最佳偏置磁场和谐振频率的位置，扭转应力模式的磁电电压系数比弯曲应力模式和纵向应力模式可提高一倍以上；应力边界条件的改变不会影响低频下磁电电压系数，也不会改变磁电复合材料最佳偏置磁场的大小，但与两端自由和两端固定边界条件不同，一端固定一端自由边界条件可以获得多频效应和低频效应。本项目的研究将为磁电器件的设计和应用提供材料基础。