铌酸锂基高品质磁电复合材料制备及性能调控

The improvement of the materials with higher magnetoelectric (ME) coupling coefficient and magnetic-field sensitivity is a key issue for the application of ME composites as magnetic-field sensors. By combining the magnetic phase (e.g., Metglas) with the piezoelectric sensors with ultra-high sensitivity, the ME composites are capable of detecting very weak magnetic-field. In this project, Lithium niobate (LiNbO3) single crystal, which is widely used as piezoelectric sensor, transdusor, surface acoustic wave device, filter, etc, will be utilized as piezoelectric phase in ME composite, taking the advantages of its high ratio of piezoelectric coefficient to dielectric permitivity, high meachical quality factor (Qm), and multi-mode vibration for differention cutting oritatiations. The appropriate composite structure will be designed for introducing different vibration mode, together with optimized constituent ratio of two phases and fabrication process, in order to achieve the LiNbO3 based ME composite with outstanding ME coupling performance and magnetic-field sensitivity. The dependence of ME properties on the cutting orientation and vibration mode will also be explored systematicly, and the intrinsic mechanism responsible for the ME coupling upon shear-mode vibration of LiNbO3 will be experimentally and theoretically clarified, which would offer scientific basis for the development of ME composites based magnetic-field sensors related to the shear-mode of LiNbO3 that always having high resonance frequency and ultra-high Qm.

在多铁性磁电复合材料领域，发展具有更高磁电耦合系数和磁场灵敏度的材料，对磁电复合材料在磁传感器中的应用非常重要。将具有极高灵敏度的压电传感器与磁性材料结合，将可以用于高灵敏磁信号探测。本项目选择高品质铌酸锂单晶为压电相，利用铌酸锂晶体的高压电系数与介电常数比值、高品质因数和不同切向铌酸锂单晶的多种振动模式，将不同结构取向铌酸锂单晶与磁性相复合。针对不同振动模式设计合理的复合结构，筛选出最优组分、结构及制备工艺，制备具有优异磁电耦合性能且高磁场灵敏度的铌酸锂基磁电复合材料。系统研究铌酸锂单晶不同切向、不同振动模式对复合材料磁电耦合性能的影响和规律，尤其是利用铌酸锂晶体剪切振动模式的耦合机制，为发展基于铌酸锂基磁电复合材料剪切振动模式的磁传感器奠定基础。

多铁性磁电复合材料基于铁电性和磁性之间的耦合产生磁电效应，使材料能够在施加磁场时产生电极化，或者通过电场调控其磁性能。基于铁电-磁性材料复合制备的多铁性磁电复合材料在磁场探测、信息存储等方面展现出广阔的应用前景。铌酸锂作为一种机械品质因数高、机电耦合系数大、化学和热学稳定性好的压电单晶，在制备各向异性磁电复合材料中逐步显现出优势，本项目旨在研究铌酸锂单晶不同切向、不同振动模式对复合材料磁电耦合性能的影响和规律，特别是利用铌酸锂单晶的剪切振动模式，对磁电复合材料进行适当的结构设计，从而获得综合性能优异且磁场灵敏度高的磁电复合材料。.本项目基于磁电复合材料的应力-应变耦合机制，系统研究了铌酸锂单晶多种切型、伸缩和剪切振动模式对磁电耦合性能的影响规律。基于弹性力学方法计算和实验验证，筛选出具有最优磁电性能的铌酸锂切型和复合材料组分、尺寸等。基于计算结果设计了一种新型剪切模式磁电复合结构，系统研究并优化了不同结构剪切振动模式磁电复合材料的磁电信号，该结构在准静态条件下的最优化磁电系数为160 mV/(cmOe)。将剪切和伸缩模式磁电复合材料用于谐振频率测试，在约160 kHz、伸缩模式zyw/45o铌酸锂中获得的谐振磁电系数高达450 V/(cmOe)，在约3.7 MHz、剪切模式xzt/30o铌酸锂中获得了较大的谐振磁电系数，显示复合材料可用于MHz高频磁场探测。.为了进一步拓展磁电复合材料在小型化、宽频带磁场探测中的应用，通过引入硬磁性SrFe12O19 (SFO)磁带，制备出具有稳定自偏置特性的磁电复合材料。采用极化方向依次相反的方式将多个磁电复合材料串联，制备出具有叠层结构的自偏置宽谐振频带磁电复合结构。.项目研究成果构建了以铌酸锂为代表的单晶剪切磁电系数与压电系数的对应关系，并优化了剪切振动模式磁电复合结构设计，为基于铌酸锂基剪切磁电复合材料的磁传感器开发和应用提供了理论依据和技术支撑，有望在自偏置、宽频带、各向异性磁场探测中得到应用。