ФЕРРИТ-ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВ свч

February 10, 2013 by admin Комментировать »

Бичурин м. и., Петров В. М., Тусков Д. С., Белышев А. А., Srinivasan G.\ Nan С. W.^ Новгородский государственный университет Ул. Б. С.-Петербугрская, д. 41, г. Великий Новгород, 173003, Россия тел.: +7(8162) 629939, e-mail: deptptr@novsu.aci.ru ^Physics Department, Oakland University Rochester, USA тел.: (248)370-3419, e-mail: srinivas@oakland.edu ^Science Materials and Engineering Department, Tslnghua University

Beijing, China

тел.: +86-10-62773587, e-mail: cwnan@tsinghua.edu.cn

Аннотация – Рассмотрены магнитоэлектрические характеристики композиционных феррит-пьезоэлектрических материалов с учетом пористости.

I.                                       Введение

Феррит-пьезоэлектрические композиционные материалы обладают магнитоэлектрическим (МЭ) эффектом [1]. МЭ взаимодействие определяется механическими, магнитными и электрическими параметрами исходных компонент, а также их концентрациями и типом связности композита. Существенным достоинством объемных композиционных материалов является то, что они позволяют посредством выбора компонентов материала с необходимыми значениями электрической и магнитной проницаемостей и путем варьирования процентного содержания компонентов достичь требуемых значений заданного комплекса параметров. Наличие МЭ эффекта в этих материалах позволяет проектировать на их основе СВЧ устройства магнитного типа с электрическим управлением, таких как фильтры-преселекторы, аттенюаторы, фазовращатели и др. [2]. В данной работе рассматривается влияние пористости на МЭ характеристики феррит- пьезоэлектрических композитов.

II.                              Основная часть

Для построения компьютерной модели МЭ эффекта в пористой феррит-пьезоэлектрической керамике композиционный материал представлен в виде кубической модели. При этом в качестве примера рассмотрен композит с типом связности 3-0 (рис 1). Это геометрическая модель, представляющая собой кубическую ячейку со сторонами единичной длины. При этом воздушное включение (элемент 1) окружено со всех сторон феррит-пьезоэлектрическим композитом (элементы 2, 3 и 4). Таким образом, воздушная пора с нулевой связностью представлена кубиком со стороной а, следовательно, ее объем равен а^, а объем пьезоэлектрической фазы 7 – а^. Очевидно, что образец композиционного магнитоэлектрического материала можно представить в виде последовательного и параллельного соединения множества подобных ячеек. Это значит, что по свойствам элементарной ячейки можно судить о свойствах всего композита, и наоборот. Ограничением здесь может быть размер ячейки, который должен быть мал по сравнению с пропускаемой длиной волны, что позволяет рассматривать свойства ячейки, а значит и всего композита, ограничиваясь рамками эластоста- тики и электростатики.

Для каждого элемента кубической модели пористого композита записаны уравнения эластостатики.

электростатики и магнитостатики. Кроме того, при построении модели использовались материальные уравнения и обобщенный закон Гука, учитывающий пьезоэлектрический и пьезомагнитный эффекты. При этом образец предполагается поляризованным вдоль оси 3, и к образцу приложено подмагничи- вающее поле также вдоль оси 3. С целью получения замкнутой системы уравнений записаны граничные условия на границах раздела элементов кубической модели для механических напряжений и смещений, а также напряженностей и индукций электрического и магнитного полей.

Рис. 1. Кубическая модель МЭ композита со связностью 3-0: 1- магнитострикционная фаза;

2-    4       – пьезоэлектрическая фаза; 5 – электрод.

Fig. 1. Cubic modei of ME composite with

3-           0               connectivity type: 1 – magnetostrictive phase,

2-4 – piezoelectric phase and 5 – electrode

Ha основе полученной системы уравнений построена компьютерная модель, которая позволяет учитывать зависимость эффективных параметров феррит-пьезоэлектрического композита от пористости. Ввиду громоздкости выражений решение полученной системы уравнений проведено численно с применением программы Maple. В результате найдены значения МЭ восприимчивости и МЭ коэффициента по напряжению, равного отношению индуцированного электрического поля к приложенному магнитному полю.

В качестве примера рассмотрена компьютерная модель МЭ эффекта в композиционном материале состава 60 % феррит кобальта и 40 % цирконат- титанат свинца (ЦТС). Анализ полученной зависимости МЭ коэффициента по напряжению от объемной доли пор показывает, что увеличение пористости приводит к ослаблению МЭ взаимодействия (рис. 2). При объемной доле пор 20 % величина МЭ коэффициента по напряжению уменьшается приблизительно на 15% по сравнению с ее значением при нулевой пористости. Расчетные значения МЭ коэффициентов хорошо согласуется сданными измерений [3].

Рис. 2. Зависимость МЭ коэффициента по напряжению от пористости ν.

Fig. 2. Dependence of ME voltage coefficient upon porosity V

МЭ эффект в образцах, изготовленных горячим прессованием, сильнее, чем в спеченных композитах. Это связано с тем, что спеченные образцы обладают большей пористостью по сравнению с образцами, полученными методом горячего прессования. МЭ коэффициент по напряжению возрастает с ростом подмагничивающего поля до максимума, а затем резко падает. Эта зависимость объясняется зависимостью магнитострикции феррита от постоянного магнитного поля.

III.                                  Заключение

Таким образом, в данной работе показано, что увеличение пористости композита приводит к ослаблению МЭ взаимодействия. При объемной доле пор

20  % величина МЭ коэффициента по напряжению композита состава феррит кобальта – ЦТС уменьшается приблизительно на 15 % по сравнению с ее значением при нулевой пористости. Предложенная модель МЭ может быть использована для оптимизации технологических процессов изготовления феррит- пьезоэлектрических композитов, перспективных для создания СВЧ устройств.

IV.                           Список литературы

[1]  Бичурин М. И., Петров В. М., Филиппов Д. А., Сринива- сан Г. Магнитоэлектрический эффект в композиционных материалах – Великий Новгород: НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2005.

[2]  Srinivasan С., Tatarenko А. S., Bichurin М. I. Electrically tunable microwave filters based on ferromagnetic resonance in single crystal ferrite-ferroelectric bilayers. Electronics. Lett.,

V. 41, No. 10, 2005.

[3]  Srinivasan G., DeVreugd C. P., Flattery C. S., Laletsin V. M. and Paddubnaya N. Magnetoelectric interactions in hot- pressed nickel zinc ferrite and lead zirconante titanate composites//Appl. Phys. Lett., V. 85, No. 13, 2004.

FERRITE-PIEZOELECTRIC COMPOSITES FOR MICROWAVE DEVICES

Bichurin M. I., Petrov V. М., TuskovD. S., Belyshev A. A., Srinivasan G.\ C. W. Nan^ Novgorod State University 41, B. S.-Peterburgci<aya Str,

Veiii<y Novgorod, 173003, Russia

Ph.: +7(8162) 629939, e-maii: deptptr@novsu.aci.ru ^Physics Department, Oai<iand University

Rochester, USA

Ph.: (248) 370-3419, e-maii: srinivas@oai<land.edu

^Science Materials and Engineering Department, Tsinghua University

Beijing, China Ph.: +86-10-62773587,

E-maii: cwnan@tsinghua.edu.cn

Abstract – The magnetoelectric characteristics of ferrite- piezoelectric composites are considered taking into account porosity.

I.                                         Introduction

Bulk and layered composites of piezoelectric and magnetostrictive phases show magnetoelectric (ME) properties. Bulk composites are desirable over layered samples due to superior mechanical strength. One could also easily control physical, magnetic, electrical and ME parameters with proper choice for the two phases and their volume fraction [1]. ME interaction allows application of ME composites in microwave devices [2]. Here we discuss a model that considers the influence of porosity on ME characteristics of a bulk composite.

II.                                        Main Part

The composite is assumed to consist of piezoelectric, magnetostrictive and void (pores) subsystems. We solved combined elastostatic, electrostatic and magnetostatic equations taking into account the boundary conditions for strains, stresses, electric and magnetic fields and inductions. Found solutions result in effective composite parameters.

Expressions for low-frequency ME susceptibility and ME voltage coefficients have been obtained for 3-0 connectivity type. The dependence for ME voltage coefficient on volume fractions of piezoelectric and magnetostrictive phases are shown to be dependent on connectivity type. The strength of ME interaction depends on porosity. ME voltage coefficient decreases on 15 % at porosity volume fraction 20 %. The calculated ME coefficients are in good agreement with data in Ref.3. Ferromagnetic/piezoelectric composites synthesized by hot pressing have high performance ME effect due to high density and good interface bonding.

III.                                       Conclusion

In conclusion, it is shown that increasing the composite porosity results in decreasing the ME coupling. Porosity volume fraction 20% causes 15% diminishing ME voltage coefficient. The stronger ME interaction is observed in ferrite-piezoelectric composites synthesized by hot pressing due to decreasing the porosity in comparison with similar composites prepared by traditional sintering.

The model is useful for the optimization of processing techniques to obtain acceptable porosity in the composites. The theory is also of interest for the design and the analysis of devices based on ME composites.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты