【摘 要】
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磁电复合材料在室温下具有优异的磁-电转化性能及快速响应等优点,可广泛应用于多功能器件领域。在多种复合类型中,2-2型层状磁电复合材料由于具有较高的磁电转换能力且结构简单、易于制备而受到研究人员广泛关注。其中层状柔性磁电传感器在可穿戴器件、卷曲显示屏和人体健康监测等领域有着广泛的应用前景。本文选用柔韧性好、压电系数较高的聚合物基材料,聚偏氟乙烯（PVDF）和聚偏三氟乙烯（P（VDF-TrFE））作为
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磁电复合材料在室温下具有优异的磁-电转化性能及快速响应等优点,可广泛应用于多功能器件领域。在多种复合类型中,2-2型层状磁电复合材料由于具有较高的磁电转换能力且结构简单、易于制备而受到研究人员广泛关注。其中层状柔性磁电传感器在可穿戴器件、卷曲显示屏和人体健康监测等领域有着广泛的应用前景。本文选用柔韧性好、压电系数较高的聚合物基材料,聚偏氟乙烯（PVDF）和聚偏三氟乙烯（P（VDF-TrFE））作为压电层材料;选用压磁系数高、矫顽场低、磁导率高的非晶条带（Metglas）作为磁性层材料。本论文立足于提升柔性复合材料的磁电转换性能,同时利用有限元仿真软件COMSOL为设计磁电传感器提供理论基础。首先,利用粘接法制备了PVDF/Metglas层状磁电复合材料,研究环氧树脂粘合层对磁电复合材料的磁电性能的影响。COMSOL仿真的结果表明,粘合层越薄应变传递的效率越高。以尺寸为30 mm×5 mm处理后样品为例,磁电耦合系数最大值出现在弯曲振动谐振频率（10.6 k Hz）此时磁电耦合系数高达493.7 V·cm-1·Oe-1,所需最佳偏置场为2.3 Oe,交流磁场线性灵敏度为2522.3 m V·Oe-1,交流磁场和直流磁场的分辨率分别为0.4 n T和2.4 n T。此外还发现,样品磁电耦合系数最大值对应的谐振频率均由长度振动模式的谐振频率降至较低的弯曲振动模式的谐振频率。其次,使用旋涂法制备层状磁电复合材料。将聚偏三氟乙烯P（VDF-TrFE）溶液旋涂于Metglas表面。利用有限元仿真软件COMSOL研究不同膜厚比值磁电复合材料的应变分布变化,结果表明随着膜厚比的增加应变随之减小。实验测试结果为当膜厚比为1时磁电转换性能最佳,此时磁电耦合系数可高达708.1 V·cm-1·Oe-1,粘接法制备的样品相比,磁电耦合系数提升了1.4倍。第三,将压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3,BTO）颗粒掺杂进P（VDF-TrFE）中,BTO颗粒不仅自身具有压较高的电系数,少量的颗粒还可充当成核剂在制备中提高P（VDF-TrFE）中β相的含量,BTO掺杂浓度过大时会破坏β相的链式结构,导致β相含量降低。实验发现,当BTO掺杂浓度为30%时压电系数达到最大为43 p C·N-1,且磁电耦合系数达到最大778.5 V·cm-1·Oe-1,磁电耦合系数进一步提升了约10%。最后,磁电传感器在应用时一般需要偏置场提高其灵敏度,但偏置场不仅会引入噪声而且不易于器件小型化。本文提出一种Metglas/PVDF/Ni三层弧状结构设计,使用有限元模拟了不同弯曲程度、压电层厚度对磁电复合材料的应变分布的影响。两个磁性层之间的内部磁化梯度场和弧形结构形成的内置应力的共同作用导致复合材料展现出明显的自偏置现象。在零偏置场下最大磁电耦合系数为38.2 V·cm-1·Oe-1,同时交流磁场线性灵敏度为210.1 m V·Oe-1,交流磁场的分辨率为1 n T。该弧形结构为磁电复合材料的自偏置研究提供了方法。
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