Бичурин м і, Петров В М, Туск Д С, Белишев А А, Srinivasan G \ Nan С W ^ Новгородський державний університет Вул Б С-Петербугрская, д 41, м Великий Новгород, 173003, Росія тел: +7 (8162) 629939, e-mail: deptptr@novsuaciru ^ Physics Department, Oakland University Rochester, USA тел: (248) 370-3419, e-mail: srinivas@oaklandedu ^ Science Materials and Engineering Department, Tslnghua University

Beijing, China

тел: +86-10-62773587, e-mail: cwnan@tsinghuaeducn

Анотація – Розглянуто магнітоелектричні характеристики композиційних ферит-пєзоелектричних матеріалів з урахуванням пористості

I                                       Введення

Ферит-пєзоелектричні композиційні матеріали мають магнітоелектричним (МЕ) ефектом [1] МЕ взаємодія визначається механічними, магнітними і електричними параметрами вихідних компонент, а також їх концентраціями і типом звязності композиту Істотним достоїнством обємних композиційних матеріалів є те, що вони дозволяють за допомогою вибору компонентів матеріалу з необхідними значеннями електричної та магнітної проникності і шляхом варіювання процентного вмісту компонентів досягти необхідних значень заданого комплексу параметрів Наявність МЕ ефекту в цих матеріалах дозволяє проектувати на їх основі СВЧ пристрої магнітного типу з електричним керуванням, таких як фільтри-преселектори, аттенюатори, фазовращателі та ін [2] У даній роботі розглядається вплив пористості на МЕ характеристики ферит-пєзоелектричних композитів

II                              Основна частина

Для побудови компютерної моделі МЕ ефекту в пористої ферит-пєзоелектричної кераміці композиційний матеріал представлений у вигляді кубічної моделі При цьому як приклад розглянуто композит з типом звязності 3-0 (рис 1) Це геометрична модель, що представляє собою кубічну осередок зі сторонами одиничної довжини При цьому повітряне включення (елемент 1) оточене з усіх боків ферит-пєзоелектричним композитом (елементи 2, 3 і 4) Таким чином, повітряна пора з нульовою связностью представлена ​​кубиком зі стороною а, отже, її обсяг дорівнює а ^, а обсяг пєзоелектричної фази 7 – а ^ Очевидно, що зразок композиційного магнітоелектричного матеріалу можна представити у вигляді послідовного і паралельного зєднання безлічі подібних осередків Це означає, що за властивостями елементарної комірки можна судити про властивості всього композиту, і навпаки Обмеженням тут може бути розмір осередку, який повинен бути малий у порівнянні з пропускається довжиною хвилі, що дозволяє розглядати властивості осередку, а значить і всього композиту, обмежуючись рамками еласто-тики і електростатики

Для кожного елемента кубічної моделі пористого композиту записані рівняння еластостатікі

електростатики і магнітостатики Крім того, при побудові моделі використовувалися матеріальні рівняння і узагальнений закон Гука, що враховує пєзоелектричний і пєзомагнітних ефекти При цьому зразок передбачається поляризованим уздовж осі 3, і до зразка прикладено подмагнічі-вающее поле також уздовж осі 3 З метою отримання замкнутої системи рівнянь записані граничні умови на межах розділу елементів кубічної моделі для механічних напруг і зсувів, а також напруженостей і індукцій електричного і магнітного полів

Рис 1 Кубічна модель МЕ композиту зі звязністю 3-0: 1 – магнітострикційна фаза

2 – 4 – пєзоелектрична фаза 5 – електрод

Fig 1 Cubic modei of ME composite with

3-           0               connectivity type: 1 – magnetostrictive phase,

2-4 – piezoelectric phase and 5 – electrode

Ha основі отриманої системи рівнянь побудована компютерна модель, яка дозволяє враховувати залежність ефективних параметрів ферит-пєзоелектричного композиту від пористості Через громіздкість виразів рішення отриманої системи рівнянь проведено чисельно із застосуванням програми Maple В результаті знайдено значення МЕ сприйнятливості і МЕ коефіцієнта по напрузі, рівного відношенню індукованого електричного поля до прикладеному магнітному полю

Як приклад розглянута компютерна модель МЕ ефекту в композиційному матеріалі складу 60% ферит кобальту і 40% цирконат-титанат свинцю (ЦТС) Аналіз отриманої залежності МЕ коефіцієнта по напрузі від обємної частки пір показує, що збільшення пористості призводить до ослаблення МЕ взаємодії (рис 2) При обємній частці пір 20% величина МЕ коефіцієнта по напрузі зменшується приблизно на 15% порівняно з її значенням при нульовій пористості Розрахункові значення МЕ коефіцієнтів добре узгоджується зданими вимірювань [3]

Рис 2 Залежність МЕ коефіцієнта по напрузі від пористості ν

Fig 2 Dependence of ME voltage coefficient upon porosity V

МЕ ефект в зразках, виготовлених гарячим пресуванням, сильніше, ніж в спечених композитах Це повязано з тим, що спечені зразки володіють більшою пористістю в порівнянні з зразками, отриманими методом гарячого пресування МЕ коефіцієнт по напрузі зростає з ростом подмагничивающего поля до максимуму, а потім різко падає Ця залежність пояснюється залежністю магнитострикции фериту від постійного магнітного поля

III                                  Висновок

Таким чином, в даній роботі показано, що збільшення пористості композиту призводить до ослаблення МЕ взаємодії При обємній частці пір

20 % Величина МЕ коефіцієнта по напрузі композиту складу ферит кобальту – ЦТС зменшується приблизно на 15% порівняно з її значенням при нульовій пористості Запропонована модель МЕ може бути використана для оптимізації технологічних процесів виготовлення ферит-пєзоелектричних композитів, перспективних для створення НВЧ пристроїв

IV                           Список літератури

[1] Бичурин М І, Петров В М, Філіппов Д А, Срініва-сан Г Магнітоелектричний ефект в композиційних матеріалах – Великий Новгород: новго ім 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 AA, Srinivasan G \ CW Nan ^ Novgorod State University 41, BS-Peterburgci

Veiii<y Novgorod, 173003, Russia

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

Rochester, USA

Ph: (248) 370-3419, e-maii: srinivas@oai<landedu

^Science Materials and Engineering Department, Tsinghua University

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

E-maii: cwnan@tsinghuaeducn

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 Ref3 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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р