一种利用退火法制备的功能梯度磁电发射天线 专利技术说明

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明涉及低频长波通讯领域，尤其涉及一种利用退火法制备的功能梯度磁电发射天线。背景技术：2.天线是电磁波通讯过程中的关键部件，通常可以根据辐射机理的差异分为传统天线和机械天线。传统天线的工作依赖于电磁波共振，其尺寸与波长相当，以保持最佳性能。而应用于水下通讯的低频通讯技术的天线则需要巨大的尺寸，推动水下天线装置发展的关键之处是装置的小型化。磁电材料基于磁电效应，能够实现磁信号与电信号双向转换，逆磁电效应可以辐射电磁波。基于声波谐振工作的磁电天线也更易实现小型化。通常磁致伸缩材料需要施加一定的直流偏置磁场才能发挥较好性能，因此磁电天线工作时需要一定的外加直流偏置磁场，但是外加偏置会带来体积大、增加噪声等问题。所以磁电天线的自偏置以及较优的辐射性能迫切需要解决的问题。技术实现要素：3.针对上述不足，本发明提供了一种利用退火法制备的功能梯度磁电发射天线。本发明所述功能梯度磁电发射天线基于声波激励式磁电天线新原理，结合两种不同磁致伸缩材料组成的功能梯度结构之间的磁相互作用可以实现自偏置工作，自偏置即无需外加直流偏置磁场，减小体积，实现低频通信系统的突破，具有自偏置、尺寸小、能耗低、辐射效率高等优点。4.本发明的技术方案如下：5.一种功能梯度磁电发射天线，包括压电层和磁致伸缩层；所述磁致伸缩层包括磁致伸缩层ⅰ、磁致伸缩层ⅱ、磁致伸缩层ⅲ和磁致伸缩层ⅳ；所述磁致伸缩层ⅱ设置在压电层的上表面，所述磁致伸缩层ⅲ设置在压电层的下表面；所述磁致伸缩层ⅰ设置于磁致伸缩层ⅱ远离压电层的一侧；所述磁致伸缩层ⅳ设置于磁致伸缩层ⅲ远离压电层的一侧；所述压电层与磁致伸缩层之间通过环氧树脂粘结。6.进一步地，所述磁致伸缩层ⅰ、磁致伸缩层ⅱ、磁致伸缩层ⅲ和磁致伸缩层ⅳ均包含两个及以上磁致伸缩原料层。7.进一步地，所述磁致伸缩层ⅰ、磁致伸缩层ⅳ的各原料层均经过退火处理；所述磁致伸缩层ⅱ、磁致伸缩层ⅲ的各原料层均未经过退火处理。8.进一步地，所述退火处理是将退火炉预热到20～30℃，将各原料层分别置于退火炉，以1～5℃/min加热至400℃～500℃，保温10～20min，然后自然冷却。9.进一步地，本发明对退火参数进行了优化，在马弗炉中进行退火处理，退火气氛为大气环境，起始温度为25℃，升温速度为5℃/min，退火温度分别为400℃、425℃、450℃、475℃和500℃，保温时间为20min，随后自然冷却。10.进一步地，所述磁致伸缩材层之间通过环氧树脂粘结。11.进一步地，所述功能梯度是通过将退火和未退火的磁致伸缩层粘结得到，包括磁致伸缩层ⅰ、磁致伸缩层ⅱ形成功能梯度结构ⅰ；磁致伸缩层ⅲ、磁致伸缩层ⅳ形成功能梯度结构ⅱ。12.进一步地，所述磁致伸缩原料层的材料包括terfenol-d、fega、metglas中的一种；优选地，所述磁致伸缩原料层的材料为metglas。13.进一步地，所述磁致伸缩层ⅰ与磁致伸缩层ⅳ远离压电层的表面均通过银浆引出导线。14.进一步地，所述压电层的材料包括锆钛酸铅基压电材料、铌镁酸铅基压电材料、钛酸钡基压电材料、铌酸钾钠基压电材料中的一种；优选地，所述压电层的材料为锆钛酸铅基压电材料。15.进一步地，所述压电层的材料为pzt-5。16.一种所述功能梯度磁电发射天线的制备方法，包括如下步骤：17.(1)配置环氧树脂，备用；18.(2)将步骤(1)制备的环氧树脂涂覆在磁致伸缩原料层之间，固化后，得到磁致伸缩层ⅱ和磁致伸缩层ⅲ；19.(3)取磁致伸缩原料层进行退火热处理后，将步骤(1)制备的环氧树脂涂覆在磁致伸缩原料层之间，固化后分别得到磁致伸缩层ⅰ和磁致伸缩层ⅳ；20.(4)将磁致伸缩层ⅱ与磁致伸缩层ⅲ用环氧树脂分别粘结在压电层的上下两侧，然后将磁致伸缩层ⅰ用环氧树脂粘结在磁致伸缩层ⅱ的表面，将磁致伸缩层ⅳ用环氧树脂粘结在磁致伸缩层ⅲ表面，抽真空除去多余环氧树脂，固化，得到复合结构；21.(5)在步骤(4)制备的复合结构的上下表面涂覆导电银浆层，将导线从导电银浆层中引出，得到功能梯度磁电发射天线。22.本发明有益的技术效果在于：23.本发明设计的功能梯度磁电发射天线，将压电材料与磁致伸缩材料通过环氧树脂粘结层叠在一起，通过压电材料的逆压电效应与磁致伸缩材料的压磁效应的组合，在压电材料两端施加特定频率驱动电压，通过其逆磁电效应实现电能-机械能-磁转换，引发磁性层磁化振荡，产生时变磁场，时变磁场与时变电场相互转化，实现电磁波的辐射。24.进一步地，本发明提出了使用退火工艺对磁致伸缩材料进行热处理，同时将其与未退火处理的磁致伸缩材料进行复合，通过不同磁致伸缩材料组成的功能梯度结构之间的磁相互作用实现自偏置效果，克服了外加直流偏置场带来的体积大、增加噪声等问题。25.本发明所设计的功能梯度磁电发射天线，在实现自偏置条件下，在相同功率驱动下，与同尺寸电小天线相比，辐射强度提升了25倍。附图说明26.图1为本发明功能梯度磁电发射天线示意图；27.图中：1、磁致伸缩层ⅰ；2、磁致伸缩层ⅱ；3、压电层；4、磁致伸缩层ⅲ；5、磁致伸缩层ⅳ；6、导线。28.图2为本发明实施例3所述功能梯度磁电发射天线的逆磁电系数随偏置磁场的变化示意图。29.图3为本发明实施例3所述功能梯度磁电发射天线在零偏置磁场下逆磁电系数随频率的变化示意图。30.图4为本发明实施例3所述功能梯度磁电发射天线磁感应强度大小与磁电天线驱动功率的关系示意图。31.图5为本发明实施例3所述功能梯度磁电发射天线和对比例的传统圆环型天线的磁感应强度大小随距离的衰减关系示意图。32.图6为本发明实施例3所述功能梯度磁电发射天线的近场辐射方向图。33.图7为本发明实施例制备的功能梯度磁电发射天线的准静态下自偏置效果图。34.图8为本发明实施例制备的功能梯度磁电发射天线在零偏置场下逆磁电系数随频率的变化示意图。具体实施方式35.下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。36.本发明的自偏置是利用未退火和退火磁致伸缩材料之间的磁性能差异导致的磁相互作用，在外部磁场作用下由于磁相互作用使磁矩有序排列而具有内置磁场，从而实现自偏置。37.如图1所示，本发明所述功能梯度磁电发射天线包括磁致伸缩层ⅰ1、磁致伸缩层ⅱ2，压电层3、磁致伸缩层ⅲ4和磁致伸缩层ⅳ5，所述磁致伸缩层ⅱ2和磁致伸缩层ⅲ4分别设置在压电层3的上下两侧，再将磁致伸缩层ⅰ1设置在磁致伸缩层ⅱ2远离压电层3的一侧，磁致伸缩层ⅳ5设置在磁致伸缩层ⅲ4远离压电层的一侧，通过环氧树脂粘接在一起形成复合结构。导线6通过导电银胶固定在电极层表面。38.一种功能梯度磁电发射天线，其工作原理为：在压电材料层的两端施加特定频率驱动电压，通过其逆磁电效应实现电能-机械能-磁转换，引发磁性层磁化振荡，产生时变磁场，时变磁场与时变电场相互转化，实现电磁波的辐射；同时使用退火工艺对磁致伸缩原料层进行热处理，然后通过树脂粘结得到退火处理的磁致伸缩层，将未经退火处理的磁致伸缩原料层通过树脂粘结得到未退火处理的磁致伸缩层；将两种不同热处理的磁致伸缩层进行复合，通过热处理以及未热处理的磁致伸缩层组成的功能梯度结构之间的磁相互作用实现自偏置效果。39.实施例1：40.一种功能梯度磁电发射天线，所述功能梯度磁电发射天线包括压电层、磁致伸缩层。其中，所述压电层为pzt-5，尺寸为60×20×0.2mm3；磁致伸缩材料选择为metglas，上下四层磁致伸缩层尺寸均为140×20×0.042mm3，每层磁致伸缩层由2片metglas粘结而成。所述磁致伸缩层ⅱ2和磁致伸缩层ⅲ4分别设置在压电层的上下两侧，再将磁致伸缩层ⅰ1设置在磁致伸缩层ⅱ2远离压电层的一侧，磁致伸缩层ⅳ5设置在磁致伸缩层ⅲ4远离压电层的一侧，所述压电层通过环氧树脂与磁致伸缩层粘结形成磁电复合结构；所述磁致伸缩原料层之间以及磁致伸缩层之间均通过树脂粘结。41.所述功能梯度磁电发射天线还包括两根导线，所述两根导线分别从磁致伸缩层ⅰ1和磁致伸缩层ⅳ5表面通过使用导电银浆引出。42.所述功能梯度磁电发射天线的制备方法为：43.(1)配置环氧树脂，将环氧树脂a组分与固化剂b按照比例混合，搅拌后放入80℃烘箱中静置1分钟，备用；44.(2)制备磁致伸缩层ⅱ和磁致伸缩层ⅲ：用无尘纸和酒精将每一层metglas擦拭干净，用刀片将环氧树脂均匀涂抹在metglas上，然后将2层尺寸为140×20×0.021mm3的metglas粘接到一起，制备得到一个磁致伸缩层ⅱ，重复上述工作即可制备另一个磁致伸缩层ⅲ；45.(3)制备磁致伸缩层ⅰ和磁致伸缩层ⅳ：首先制备退火处理的磁致伸缩原料层，即，将退火炉先预热到25℃，再将磁致伸缩原料层metglas分别放入退火炉中，然后以5℃/min加热至400℃，保温时间为20min，然后自然冷却后，得到退火处理的磁致伸缩原料层，用无尘纸和酒精将每个退火处理的metglas清洗干净，将环氧树脂涂覆在2层退火处理的metglas之间，得到磁致伸缩层ⅰ初品和磁致伸缩层ⅳ初品；46.(4)粘接好后磁致伸缩层初品放入真空袋中，并在每份磁致伸缩层初品的上下表面各垫一层ptfe(聚四氟乙烯)膜，防止粘接，然后对其抽负压，放入烘箱中固化后，待其完全凝固后取出，用刀片刮去多余的环氧树脂。47.(5)将磁致伸缩层ⅱ和磁致伸缩层ⅲ使用环氧树脂分别粘结在压电层的上下两侧，再将磁致伸缩层ⅰ和磁致伸缩层ⅳ用环氧树脂分别粘结在磁致伸缩层ⅱ一侧和磁致伸缩层ⅲ一侧，抽真空除去多余环氧树脂，固化得到复合结构。48.实施例2：49.实施例2与实施例1的不同仅在于制备磁致伸缩层ⅰ和磁致伸缩层ⅳ所用metglas的热处理温度为425℃，即以5℃/min加热至425℃，保温时间为20min，其余参数及制备方法均与实施例1相同。50.实施例3：51.实施例3与实施例1的不同仅在于制备磁致伸缩层ⅰ和磁致伸缩层ⅳ所用metglas的热处理温度为450℃，即以5℃/min加热至450℃，保温时间为20min，其余参数及制备方法均与实施例1相同。52.实施例4：53.实施例4与实施例1的不同仅在于制备磁致伸缩层ⅰ和磁致伸缩层ⅳ所用metglas的热处理温度为475℃，即以5℃/min加热至475℃，保温时间为20min，其余参数及制备方法均与实施例1相同。54.实施例5：55.实施例2与实施例1的不同仅在于制备磁致伸缩层ⅰ和磁致伸缩层ⅳ所用metglas的热处理温度为500℃，即以5℃/min加热至500℃，保温时间为20min，其余参数及制备方法均与实施例1相同。56.实施例6：57.实施例6与实施例1的不同仅在于退火炉升温速率为1℃/min，即以1℃/min加热至400℃，保温时间为20min，其余参数及制备方法均与实施例1相同。58.实施例7：59.实施例7与实施例1的不同仅在于退火炉升温速率为3℃/min，即以3℃/min加热至400℃，保温时间为20min其余参数及制备方法均与实施例1相同。60.实施例8：61.实施例8与实施例1的不同仅在于退火炉保温时间为10min，即以5℃/min加热至400℃，保温时间为10min其余参数及制备方法均与实施例1相同。62.实施例9：63.实施例9与实施例1的不同仅在于退火炉保温时间为15min，即以5℃/min加热至400℃，保温时间为15min其余参数及制备方法均与实施例1相同。64.实施例10：65.实施例10与实施例1的不同仅在于所用压电层的材料为铌镁酸铅基压电材料，磁致伸缩体为fega。其余参数及制备方法均于实施例1相同。66.实施例11：67.实施例11与实施例1的不同仅在于所用压电层的材料为铌酸钾钠基压电材料，磁致伸缩体为terfenol-d。其余参数及制备方法均于实施例1相同。68.对比例1：69.对比例1是与实施例3同尺寸的传统圆环电天线，所述同尺寸即圆环天线的面积与磁电复合材料的面积相等(圆环天线的面积与磁电复合材料的面积相等，为140*20＝2800mm2)。在同样驱动频率下，对比磁电天线和环形天线的辐射强度和效率。70.测试例：71.将实施例3制备的磁电天线接入测试系统，通过信号源固定输入交流电压信号，改变直流偏置磁场的大小，测量辐射磁场的大小得到逆磁电系数，从而测定逆磁电系数随偏置磁场的变化，结果如图2所示。由图可知，本发明实施例3制备的磁电天线具有自偏置效果，即在零偏置场下具有非零逆磁电系数。72.将实施例3制备的磁电天线接入测试系统，在零偏置磁场下，固定输入交流电压信号幅值，改变输入交流电压信号的频率，然后测量不同频率下磁电天线辐射的磁场大小，得到零偏置下逆磁电系数与驱动电压信号频率的关系。结果如图3所示，实施例3制备的磁电天线在谐振频率为17.35khz下获得最优的性能，所以磁电天线工作要在谐振频率附近。73.将实施例3制备的磁电天线接入测试系统，在零偏置磁场下，输入频率为17.35khz的交流电信号，改变驱动功率的大小，测量磁电天线辐射磁场大小，得到零偏置条件下磁感应强度大小与驱动功率的关系。结果如图4所示，由图可知，实施例3制备的磁电天线的辐射强度与驱动功率密切相关，驱动功率越大即施加的电压越大，天线的辐射强度越强。74.图5为在图4所示的最大驱动功率下，实施例3和对比例1的天线的磁感应强度大小随距离的衰减关系示意图。如图5所示，磁电天线辐射出的电磁波信号，随距离的三次方衰减。在相同功率的驱动下，磁电天线是相同尺寸的圆环型天线的辐射强度的约25倍。75.圆环型天线的近场的理论辐射磁通密度的公式如下：[0076][0077][0078]其中：br为径向磁通密度；bθ为切向磁通密度；μ0是自由空间磁导率(4π×10-7h/m)，η是自由空间的辐射阻抗(377ω)，k是与波长λ相关的辐射系数z0是传输线阻抗(z0＝50ω)；rr是天线的辐射阻抗(s是环形天线的面积)；pin是天线的输入功率，与磁电天线相等；r为接收端与天线的距离。[0079]如图5所示，实测的磁电天线的辐射强度相比环形天线的理论计算值高了约25倍。磁电天线的辐射效率ηme与环形天线的辐射效率ηloop关系如下：[0080][0081]圆环型天线的辐射效率计算公式为：[0082][0083]式中：bme和bloop分别为相同距离r下磁电天线与圆环型天线所引起的磁通密度大小。由此可得实施例3的辐射效率为4.96×10-17，比圆环形天线高了2个数量级。[0084]图6为本发明实施例3的磁电天线的近场辐射方向图。由图6可知，实施例3制备的磁电天线有明显的方向性。[0085]本发明考察了不同退火条件对自偏置及磁电天线性能的影响。实施例1-5制备的磁电天线中，采用了五种退火温度，比较不同退火温度对磁电天线性能的影响，结果如图7-8所示，由图7可知，本发明制备的磁电天线具有自偏置效果，即在零偏置场下具有非零逆磁电系数，并且通过对比得到最佳退火温度为450℃。图8为本发明实施例1-5制备的磁电天线在零偏置磁场下逆磁电系数随频率的变化示意图，由图可知，450℃(实施例3)性能最优，因此确定最优退火工艺为：退火炉为马弗炉，退火气氛为大气环境，起始温度为25℃，升温速度为5℃/min，退火温度为450℃，保温时间为20min，冷却为自然冷却。[0086]以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。









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