[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种体相铁磁/压电复合材料的理论模型，将其视为具有耦合弹性静力学、静电学和磁静力学场的有效均质介质。推导了3-0和0-3连通结构下磁电系数的解析表达式，表明体积分数和夹持条件对峰值低频磁电电压系数有关键影响，且在夹持与未夹持条件下表现出显著差异。

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.

研究动机与目标

• 开发一种理论框架，用于预测体相铁磁/压电复合材料中的磁电耦合效应。
• 分析复合材料微观结构（3-0和0-3连通性）对有效磁电系数的影响。
• 确定使低频磁电电压系数最大化的最优体积分数。
• 研究机械夹持对这些复合材料中磁电响应的影响。

提出的方法

• 将复合材料建模为具有嵌入式压电和磁致伸缩子系统的均质介质。
• 求解耦合的弹性静力学、静电学和磁静力学方程，以确定有效材料参数。
• 推导在自由边界和夹持边界条件下纵向和横向磁电电压系数的解析表达式。
• 使用有效介质理论计算压电模量、磁致伸缩因子、柔度以及磁电系数。
• 将该模型应用于3-0和0-3连通结构，以比较不同微观结构下的性能表现。
• 评估有效磁电电压系数对体积分数和机械约束的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 3-0和0-3连通结构如何影响体相复合材料中的有效磁电电压系数？
• RQ2 在这些复合材料体系中，何种体积分数可使低频磁电电压系数达到最大？
• RQ3 机械夹持如何影响磁电电压系数的大小和行为？
• RQ4 在自由和夹持配置下，纵向和横向磁电电压系数的解析表达式是什么？
• RQ5 预测的磁电系数与实验数据的符合程度如何？

主要发现

• 有效磁电电压系数在3-0和0-3连通结构中分别于特定体积分数处达到峰值。
• 夹持显著改变了磁电电压系数，表明其对机械边界条件具有强依赖性。
• 已推导出自由和夹持样品中纵向和横向磁电电压系数的解析表达式。
• 该模型成功预测了磁电系数对复合材料微观结构和机械约束的依赖关系。
• 计算得到的磁电系数与现有实验数据表现出合理的吻合度。
• 有效介质方法为估算压电模量、磁致伸缩因子和柔度等关键复合材料参数提供了统一的框架。