МАГНИТОПЬЕЗОФИБЕР

Предложенное решение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при разработке таких устройств, как высокочувствительные датчики постоянного магнитного поля, переменного магнитного поля, постоянного электрического тока, переменного электрического тока, преобразователи, гираторы, источники возобновляемой энергии и другие устройства.
Основное применение магнитострикционно-пьезоэлектрических слоистых материалов заключается в построении на основе магнитоэлектрического (МЭ) эффекта устройств радиоэлектроники в широком диапазоне частот.
Известен МЭ эффект в двухфазных композитных материалах, состоящих из магнитострикционной и пьезоэлектрической компонентов, и заключающийся в намагничивании материала при воздействии на него внешнего электрического поля и появлении электрической поляризации при воздействии внешнего магнитного поля. (см. Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А., Srinivasan G., Nan C.W. Магнитоэлектрические материалы - М.: Академия Естествознания, 2006. - 296 с). Возможность взаимного преобразования полей делает такие материалы перспективными для построения различных устройств функциональной электроники на их основе. Параметры таких устройств зависят от величины МЭ эффекта в материале.
Известны обладающие МЭ эффектом двухфазные композиционные материалы для изготовления компонентов радиоэлектронных приборов, представляющие собой механически связанные между собой слои магнитострикционного материала, например, никель-цинкового феррита, и сегнетоэлектрического материала, например, пьезокерамики на основе твердых растворов системы цирконата-титаната свинца (ЦТС), (см. БичуринМ. И., Петров В. М., Семенов Г. А. Магнитоэлектрический материал для компонентов радиоэлектронных приборов // Патент №2363074 от 27.07.2009).
Известны композиционные пьезоэлектрические волокна (пьезофиберы), представляющие собой параллельные пьезоэлектрические волокна в полимерной матрице, размещенные между двумя гибкими полиимидными подложками со встречно-штыревыми электродами, (см. Bent A. A., Hagood N. W. Piezoelectric fibre composites with interdigitated electrodes. J. Int. Mat. Syst. Struct, 1997, 8, 903-919).
Волокна представляют собой полоски определенного материала толщиной от единиц до десятков микрон и малой шириной по отношению к длине полоски.
Известен трехслойный МЭ композит, состоящий из пьезоэлектрических волокон ЦТС в полимерной матрице (пьезофибер) и двух пластин аморфного сплава FeBSiC (метглас), соединенных между собой с помощью эпоксидного двухкомпонентного клея (см. Соловьев А.Н., Соловьев И.Н. Исследование магнитострикционно-пьезоэлектрической структуры на основе метгласа/пьезофибер в диапазоне частот от 70 Гц до 2000 Гц // Современные тенденции развития науки и технологий: сборник научных трудов по материалам V Международной научно-практической конференции 31 августа 2015 г.: в 4 ч. / Под общ. ред. Е.П. Ткачевой. -Белгород: ИП Ткачева Е.П., 2015. - №5, часть II. - с. 56-60.).
Недостатками известных конструкций двухфазных слоистых композитов являются возбуждение неосновных типов колебаний, низкое значение МЭ эффекта, плохая повторяемость характеристик.
Наиболее близким по техническому решению является принятый за прототип магнитоэлектрический слоистый композит, содержащий склеенные между собой пьезофибер PMN-PT и слои метгласа FeBSi, в котором с помощью лазера сформированы нанокристаллические волокна, (см. Chu Z., Shi FL, Shi W., Liu G., Wu J., Yang J., Dong S. Enhanced Resonance Magnetoelectric Coupling in (1-1) Connectivity Composites Adv. Mater. 2017, 1606022) - прототип.
Недостатком прототипа является малые значения магнитоэлектрического эффекта.
Задачей предложенного решения является повышение величины магнитоэлектрического эффекта.
Для решения данной задачи предложен магнитопьезофибер, состоящий из пьезоэлектрических волокон в полимерной матрице, покрытых с двух сторон защитной полиимидной пленкой со встречно-штыревыми электродами, поверх которых нанесен изолирующий слой и магнитострикционные волокна.
Предлагаемое решение позволяет получить следующий технический результат - повышение величины магнитоэлектрического эффекта.
Для пояснения предполагаемого решения предложены чертежи.
Фиг. 1 Конструкция магнитопьезофибера.
Фиг. 2 Магнитопьезофибер в поперечном разрезе и направления магнитных полей.
Устройство состоит из пьезоэлектрических волокон 1 в полимерной матрице 2, покрытых с двух сторон защитной полиимидной пленкой 3 со встречно-штыревыми электродами 4, поверх которых нанесен изолирующий слой 5 и магнитострикционные волокна 6. При этом ширина и центральные оси магнитострикционных и пьезоэлектрических волокон совпадают.Размещение пьезоэлектрических волокон внутри полимерной матрицы повышает их механическую прочность.
Устройство работает следующим образом.
Предлагаемая конструкция располагается в подмагничивающем поле Н, ориентированном, как показано на фиг. 1, намагничивая магнитострикционные волокна 6 до насыщения. Внешнее переменноемодулирующее магнитное поле h(t) приводит к периодической механической деформации по длине волокон за счет магнитострикции с частотой модуляции. За счет механической связи между магнитострикционными 6 и пьезоэлектрическими 1 волокнами через гибкую полиимидную пленку 3 и тонкий изолирующий слой 5 возникающие механические деформации передаются пьезоэлектрическим волокнам. Возникающие механические деформации пьезоэлектрических волокон за счет пьезоэлектрического эффекта приводят к их поляризации и возникновению разности потенциалов на контактных площадках 7 встречно-штыревых электродов 4. Величина напряжения, регистрируемого на электродах, будет определять величину МЭ эффекта магнитопьезофибера. В случае совпадения частоты модулирующего магнитного поля с собственной резонансной частотой пьезоэлектрических волокон, будет наблюдаться увеличение выходного напряжения, что соответствует резонансному МЭ эффекту в структуре.
Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет повысить чувствительность магнитоэлектрических датчиков постоянного магнитного поля, переменного магнитного поля, постоянного тока, переменного тока, преобразователей, гираторов, источников возобновляемой энергии, устройств медицинской техники и других устройств.