【摘 要】
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多铁性材料是一类表现出两种或两种以上铁序的特殊材料,如铁电性、铁磁性和铁弹性等。其中磁电耦合效应源于铁电性和铁磁性有序参数之间的耦合,具备该效应的材料被称为磁电材料。绝大多数的单相磁电材料因较低的工作温度和磁电转换系数而难以实际应用。压电相和磁致伸缩相组成的磁电复合材料能够在室温下展现出较大的磁电耦合效应,有望开发性能优越的新型磁电传感器。其中层状磁电复合结构因克服了漏电流等问题,从而获得了最大的
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多铁性材料是一类表现出两种或两种以上铁序的特殊材料,如铁电性、铁磁性和铁弹性等。其中磁电耦合效应源于铁电性和铁磁性有序参数之间的耦合,具备该效应的材料被称为磁电材料。绝大多数的单相磁电材料因较低的工作温度和磁电转换系数而难以实际应用。压电相和磁致伸缩相组成的磁电复合材料能够在室温下展现出较大的磁电耦合效应,有望开发性能优越的新型磁电传感器。其中层状磁电复合结构因克服了漏电流等问题,从而获得了最大的磁电转换系数,而柔性的聚偏氟乙烯（PVDF）基层状磁电复合材料不仅具有良好的磁电耦合性能,还具有出色的柔韧性,为柔性磁场传感器的开发奠定了基础。本文选用聚合物压电材料PVDF和磁致伸缩材料（非晶条带（Metglas）和镍（Ni））制备了柔性层状磁电复合材料,并对其磁电转换性能（磁电输出电压、磁电转换系数、共振频率、最佳偏置场）和磁传感特性（灵敏度、线性度、重复度、分辨率和检测极限）进行研究,具体工作如下:（1）搭建磁场检测系统,研究PVDF/Metglas双层磁电复合材料的磁性能、压电性能、磁电转换性能,实验结果显示:样品的最佳偏置场为4.7 Oe,这与磁致伸缩相Metglas的压磁系数峰值对应的磁场一致。在弯曲共振模式下,样品的共振频率为7.9kHz,对应的磁电转换系数为146.623 V/cm Oe;在样品的平面振动模式下,样品的共振频率为37.6 kHz,对应的磁电转换系数为176.41 V/cm Oe。上述研究结果表明我们制备的复合材料具有良好的磁电耦合性能。（2）为了评估PVDF/Metglas双层磁电复合材料在磁场传感器中的实际应用前景,我们研究了复合材料分别在交/直流磁场传感器、平面矢量传感器以及柔性磁传感器的磁传感性能,测量和分析了样品的灵敏度、线性度、重复度和分辨率。首先对样品在交/直流磁场下的磁传感特性进行测量,测量结果发现:样品对交/直流磁场的灵敏度分别为892.96 mV/Oe和157.6 mV/Oe,线性度分别为0.99965和0.99444,并且偏离度和重复性都表现良好。其次研究样品的平面矢量磁传感特性,实验结果显示:样品的输出电压与磁场角度θ之间呈现出较为完美的正弦函数曲线,并且当交流磁场强度分别为0.3 Oe和0.15 Oe时,输出电压与磁场角度θ之间的相关系数r2分别为0.98741和0.98854。最后探究柔性样品的磁电转换性能和磁传感特性的影响,从测量结果中可以发现:随着弯曲程度的增加,样品的磁电转换系数逐渐减小、共振频率逐渐增大,且在弯曲状态下样品仍然具有较好的线性度和重复度、较低的检出限和分辨率。此外,我们还发现在外力作用下,弯曲样品具有一个微弱的自偏置效应。上述研究表明,PVDF/Metglas双层磁电复合材料是柔性面内矢量共振磁传感器的可行候选材料。（3）在第二部分的探究中,我们发现外加应力可以使弯曲样品产生自偏置效应,但自偏置磁电耦合效应较小。于是我们设计并制备了弧状Metglas/PVDF/Ni磁电复合材料,通过内置应力诱导样品产生自偏置效应,并且利用具备不同磁性的Metglas和Ni之间的功能梯度效应进一步增强样品的自偏置效应。然后我们将样品应用到交流磁场传感器并对其磁传感特性进行研究,实现了一个宽频率范围（5-25 kHz）测量。最后我们详细探究了样品在低频磁场下的磁传感特性,发现在交流磁场频率为40 Hz时,检出限可低至2 nT,分辨率更低至约1 nT。这些出色的磁传感特性表明所设计的自偏置Metglas/PVDF/Ni复合材料有望在生物磁传感领域得到应用。
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