[論文レビュー] Modeling of Magnetoelectric Effects in Ferromagnetic/Piezoelectric Bulk Composites

В. М. Петров, M. I. Bichurin V. M. Laletin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2004

Smart Materials for Construction参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、弾性静的、静電的、磁気静的場が結合された有効均質媒体として扱う、バルクフェロマグネティック/ペイエクトリック複合材料の理論的モデルを提示する。3-0および0-3接続構造における磁電係数の解析的表現を導出し、体積分率と固定境界条件が低周波数域における磁電電圧係数のピークに顕著な影響を及ぼすことを示しており、固定状態と自由状態の間で顕著な差が観察された。

ABSTRACT

We discuss a model that considers the bulk composite as a homogeneous medium with piezoelectric and magnetostrictive subsystems. We solve combined elastostatic, electrostatic and magnetostatic equations to obtain effective composite parameters (piezoelectric modules, magnetostriction factors, compliances, magnetoelectric coefficients) for 3-0 and 0-3 connectivities. Expressions for longitudinal and transverse low-frequency magnetoelectric voltage coefficients have been obtained for unclamped and clamped samples. Volume fractions for peak low-frequency effective magnetoelectric voltage coefficient are found to be dependent on specific connectivity. Clamping leads to significant variation in magnetoelectric voltage coefficients. The calculated magnetoelectric coefficients are compared with data.

研究の動機と目的

• バルクフェロマグネティック/ペイエクトリック複合材料における磁電結合を予測する理論的フレームワークの構築を目的とする。
• 複合材料の微細構造（3-0および0-3接続性）が有効磁電係数に与える影響を分析することを目的とする。
• 低周波数域における磁電電圧係数を最大化する最適体積分率を特定することを目的とする。
• 機械的固定がこれらの複合材料における磁電応答に与える影響を調査することを目的とする。

提案手法

• ペイエクトリックおよびマグネトストリクティブな部分系を内蔵する均質媒体として複合材料をモデル化する。
• 有効材料定数を決定するために、連立された弾性静的、静電的、磁気静的方程式を解く。
• 自由境界条件および固定境界条件の下で、縦方向および横方向の磁電電圧係数の解析的表現を導出する。
• 有効媒体理論を用いて、ペイエクトリックモジュラス、マグネトストリクティブ係数、コンプライアンス、および磁電係数を計算する。
• 3-0および0-3接続構造アーキテクチャに本モデルを適用し、異なる微細構造間での性能を比較する。
• 有効磁電電圧係数が体積分率および機械的制約にどのように依存するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3-0および0-3接続構造アーキテクチャは、バルク複合材料における有効磁電電圧係数にどのように影響するか？
• RQ2 これらの複合材料系において、低周波数域における磁電電圧係数を最大にする体積分率は何か？
• RQ3 機械的固定は、磁電電圧係数の大きさおよび挙動にどのように影響するか？
• RQ4 自由状態および固定状態の配置における縦方向および横方向の磁電電圧係数の解析的表現は何か？
• RQ5 予測された磁電係数は、実験データとどの程度一致するか？

主な発見

• 有効磁電電圧係数は、3-0および0-3接続構造の間で異なる特定の体積分率でピークに達する。
• 固定が磁電電圧係数に顕著に影響を及ぼすことが示され、機械的境界条件に強く依存することが判明した。
• 自由状態および固定状態の両方のサンプルについて、縦方向および横方向の磁電電圧係数の解析的表現が導出された。
• 本モデルは、複合材料の微細構造および機械的制約に伴う磁電係数の依存関係をうまく予測できた。
• 計算された磁電係数は、利用可能な実験データと合理的に一致した。
• 有効媒体法は、ペイエクトリックモジュラス、マグネトストリクティブ係数、コンプライアンスなどの主要な複合材料パラメータを推定する一貫性のあるフレームワークを提供した。