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磁电层状复合材料的理论建模及其在电流检测中的应用

本书入选“清华大学优秀博士学位论文丛书”系列。

作者:楼国锋
定价:89
印次:1-1
ISBN:9787302574583
出版日期:2021.08.01
印刷日期:2021.07.22

本书较为系统地研究了磁电层状复合材料的理论建模问题,并初步地探索了其在交流、直流电流检测方面的应用,以期对磁电材料内部的物理现象、耦合机制的理解和相关磁电器件的设计、制作、应用提供指导和借鉴。本书致力于建立较为完备的磁电层状复合材料的理论模型,以更深入地理解磁电层状复合材料内的物理基础和耦合机制,更准确地预测磁电层状复合材料的实验现象,更全面地指导相关磁电器件的设计、制作和应用。

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导师序言 在人工智能时代,万物互联的趋势日益凸显,能源和信息正是其中传输与转换的主要对象。在智能电网、智能家居、智能可穿戴和物联网等新兴领域,智能感知、能量采集、无线能量传输、信息存储、微波通信等功能的实现,离不开电、磁、力等多物理场的能量与信号之间高效便捷的转换。在上述需求的驱动下,具备感知磁场或电场功能的材料或器件成为国内外众多学者的研究热点。 具有本征磁电效应的单相磁电材料,因存在若干尚未攻克的难题,离实际应用仍需时日。多相复合磁电材料内部的磁电效应本质上为磁学与电学特性的耦合,因其具有较大的磁电系数,可被应用于实现磁场调控电极化或电场调控磁极化、磁导率以及自旋波等有目的的智能调控。 随着研究的深入,近年来涌现的磁电复合材料呈现出小型化、柔性化、低功耗化、多功能化的趋势。正因为如此,基于磁电复合材料的相关器件已逐步具备取代智能电网和智能家居等领域中现有的传感器、换能器、能量采集与传输装置等器件的潜质。以电流检测方面的应用为例,磁电复合材料因无源、小型、高灵敏度的特性,已不亚于甚至优于传统的电流互感器和霍尔传感器等器件。 小型化、柔性化、低功耗的磁电器件的设计与研制,离不开对其内部磁电效应的物理过程和耦合机制的探索与理解。从研究角度而言,深入理解磁电复合材料中磁、力、电多物理场之间的耦合机制,有助于加深对磁电效应的物理现象的认识,并设计与研制具有优异性能的磁电器件。 楼国锋的博士学位论文以块体磁电层状复合材料为研究对象,较为系统地研究了磁电层状复合材料的理论建模问题,在理论研究方面针对经典理论模型的局限性进行了一定的改进和创新。采用的等效电路模型将机械振动中的参量类比为电学参量,其形式简单直观,是本书理论研究工作的出发点和立足点。本书提出的综合考虑界面耦合系数和损耗项、适用于较宽频率范围的等效电路模型,可帮助具备工科背景的研究人员深入理解磁电复合材料中的物理现象和耦合机制。进一步地,本书还初步地探索了磁电层状复合材料在交流、直流电流检测方面应用的可行性,以期深化对磁电材料内部的物理现象、耦合机制的理解,并为相关磁电器件的设计、制作、应用提供指导和借鉴。 希望这本博士学位论文的出版能够拓展磁电材料的研究深度与应用广度。 于歆杰 清华大学电机工程与应用电子技术系 2020年7月于清华园

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  • 楼国锋,男,1990年12月出生于浙江省杭州市。2019年7月毕业于清华大学电机工程与应用电子技术系并获工学博士学位,所著学位论文荣获2019年度清华大学优秀博士学位论文。2017年1月至7月,以访问学者身份赴美国加州大学洛杉矶分校交流学习。至今已发表学术期刊论文7篇、国际学术会议论文2篇。2020年3月,以联合创始人身份创办上海京硅智能技术有限公司,任技术总监。
  • 本书致力于建立较为完备的磁电层状复合材料的理论模型,以更深入地理解磁电层状复合材料内的物理基础和耦合机制,更准确地预测磁电层状复合材料的实验现象,更全面地指导相关磁电器件的设计、制作和应用。本书适合高校电气工程等专业的师生以及科研院所相关专业的研究人员阅读,也可供相关领域的技术人员参考。
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  • 目   录

    第1章  绪论 1 

    1.1  研究背景 1 

    1.2  磁电材料 2 

    1.2.1  磁电效应 2 

    1.2.2  磁电复合材料发展史 2 

    1.3  磁电层状复合材料的理论模型 8 

    1.3.1  弹性力学模型 8 

    1.3.2  有效介质理论与非线性格林函数法 10 

    1.3.3  等效电路模型 11 

    1.4  基于磁电复合材料的器件研究 14 

    1.4.1  基于正磁电效应的磁电器件 14 

    1.4.2  基于逆磁电效应的磁电器件 18 

    1.5  主要研究内容 18 

    1.5.1  研究的关键问题 18 

    1.5.2  主要工作 19 

    第2章  引入界面耦合系数的一维等效电路模型 21 

    2.1  概述 21 

    2.2  引入界面耦合系数的长片型磁电层合材料一维等效电路模型 22 

    2.2.1  长片型磁致伸缩层的一维等效电路模型 24 

    2.2.2  长片型压电层的一维等效电路模型 27 

    2.2.3  引入适用于一维等效电路模型的界面耦合系数 31 

    2.3  样品制备及实验平台 34 

    2.4  理论验证和特性讨论 36

    2.5  本章小结 46 

    第3章  引入界面耦合系数的二维等效电路模型 47 

    3.1  概述 47 

    3.2  引入界面耦合系数的圆片型磁电层合材料的二维等效电路模型 48 

    3.2.1  圆片型磁致伸缩层的二维等效电路模型 49 

    3.2.2  圆片型压电层的二维等效电路模型 52 

    3.2.3  引入适用于二维等效电路模型的界面耦合系数 56 

    3.2...

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