6磁性材料-第六章

1、第六章第六章 磁致伸缩材料磁致伸缩材料*定义：定义：磁性材料由磁性材料由于磁于磁化状态的改变，其长度化状态的改变，其长度和和体积都要体积都要发生微小的变化发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩，这种现象称为磁致伸缩。 = L/L为磁致伸缩系数。为磁致伸缩系数。6.1 磁致伸缩材料概述磁致伸缩材料概述*发展史：发展史：*大部分材料的大部分材料的 只有只有10-6数量级，一直难以实用化。数量级，一直难以实用化。*1940年，年，Ni和和Co的多晶材料出现后，磁致伸缩材料才得的多晶材料出现后，磁致伸缩材料才得到实出化到实出化。Ni： =4010-6*1950年，发现了年，发现了Alfer Fe-13A

2、1合金，它的磁致伸缩值达合金，它的磁致伸缩值达到到110-4*20世纪世纪60年代，年代，Clark等致等致力于稀土类磁致伸缩材料的研力于稀土类磁致伸缩材料的研究。究。发现具有发现具有立方立方Laves相结构的相结构的TbFe2，DyFe2等二元稀等二元稀土铁化合物，其室温下的土铁化合物，其室温下的 值达值达260010-6以上。该类材料以上。该类材料的的 值比传统材料要大上百倍，因此称为超磁值比传统材料要大上百倍，因此称为超磁致伸缩材料致伸缩材料。*1974年，年，Clark等人成功地发现了三元稀土过渡族金属等人成功地发现了三元稀土过渡族金属间间化合物化合物Tb0.27Dy0.73Fe2合金

3、，它具有磁致伸缩值高、居里温合金，它具有磁致伸缩值高、居里温度高、磁晶各向异性能小等优点度高、磁晶各向异性能小等优点。*从实用角度来看，磁致伸缩材料应具备以下特性从实用角度来看，磁致伸缩材料应具备以下特性：(1)变位变位量及产生的应力要大；量及产生的应力要大；(2)响应速度快；响应速度快；(3)软磁性；软磁性；(4)可在低磁场下驱动可在低磁场下驱动；(5)居里温度高；居里温度高；(6)在使用气氛中磁致伸缩特在使用气氛中磁致伸缩特性对温度的变化不敏感；性对温度的变化不敏感；(7)高可靠性；高可靠性；(8)环保性优良，兼备市场竞争力。环保性优良，兼备市场竞争力。6.2 超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料

4、一、一、 超磁致伸缩材料种类超磁致伸缩材料种类（1）稀土金属）稀土金属稀土金属、特别是重稀土金属在低温下具有很大的磁致伸稀土金属、特别是重稀土金属在低温下具有很大的磁致伸缩。但稀土金属的居里温度较低，在室温下不能直接应用。缩。但稀土金属的居里温度较低，在室温下不能直接应用。（2）稀土）稀土-过渡金属间化合物过渡金属间化合物稀土稀土-过渡金属形成的化合物过渡金属形成的化合物具有具有较高的较高的居里居里温度温度。（3）非晶薄膜合金）非晶薄膜合金采用溅射方法制备采用溅射方法制备稀稀土土-过渡过渡金属金属非非晶晶薄膜，非晶薄膜具有薄膜，非晶薄膜具有良好的软磁性能，其在低磁场下的磁致伸缩显著提高良好的软

5、磁性能，其在低磁场下的磁致伸缩显著提高。（4）稀土氧化物）稀土氧化物一一些稀土氧化物在低温下具有很大的磁致伸些稀土氧化物在低温下具有很大的磁致伸缩。缩。如如Tb3Fe5O12在在4.2K时，磁致伸缩时，磁致伸缩( 111)为为246010-6，在，在78K时，为时，为56010-6。（5）锕系金属化合物）锕系金属化合物锕系元素与铁及其他元素形成的化合物在低温下也具有较锕系元素与铁及其他元素形成的化合物在低温下也具有较大的磁致伸缩，有的甚至超过了稀土化合物。但它们的居大的磁致伸缩，有的甚至超过了稀土化合物。但它们的居里温度只有里温度只有100K左右，难以在工程中实际应用。左右，难以在工程中实际应

6、用。二、二、Tb-Dy-Fe超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料1、Tb-Dy-Fe系合金的磁致伸缩特性系合金的磁致伸缩特性稀土稀土-过渡金属系是最具应用前景的化合物系过渡金属系是最具应用前景的化合物系。其中，。其中，REFe2系立方系立方Laves相化合物不仅磁致伸缩应变大，而且居相化合物不仅磁致伸缩应变大，而且居里温度也较高，是最主要的合金系。里温度也较高，是最主要的合金系。缺点：磁晶各向异性能很高，使用时需要强磁场。缺点：磁晶各向异性能很高，使用时需要强磁场。方案：利用各向异性常数符号相反的不同方案：利用各向异性常数符号相反的不同ReFe2合金相混合，合金相混合，可获得较低磁晶各向异性能的磁致伸

7、缩材料。可获得较低磁晶各向异性能的磁致伸缩材料。*研究表明：有最佳磁致伸缩特性和实用价值的是被称为研究表明：有最佳磁致伸缩特性和实用价值的是被称为Terfenol-D的的Tb-Dy-Fe系合金。系合金。2、磁致伸缩与合金组成的关系、磁致伸缩与合金组成的关系对于对于Tb0.27Dy0.73Fe2-y合金，在合金，在y=0.15和和y=0.025处各出现一处各出现一个磁致伸缩峰值，对于个磁致伸缩峰值，对于TbxDy1-xFe2合金，当合金，当x=0.7时，磁致时，磁致伸缩也出现一个峰值。对四元系合金，第四组元伸缩也出现一个峰值。对四元系合金，第四组元Mn对合金对合金磁致伸缩性能也有影响，在磁致伸缩

8、性能也有影响，在Mn含量约为含量约为0.125时出现峰值。时出现峰值。3、磁致伸缩与温度的关系、磁致伸缩与温度的关系 稀土稀土-铁化合物随着温度的改变，会产生自旋再取向，易磁铁化合物随着温度的改变，会产生自旋再取向，易磁化轴方向也会发生变化。化轴方向也会发生变化。4、磁致伸缩与预应力的关系、磁致伸缩与预应力的关系稀土稀土-铁合金外加预应力时，磁性体会发生变形，磁化和磁铁合金外加预应力时，磁性体会发生变形，磁化和磁各向异性发生变化，可获得更理想的磁畴排列，从而提高各向异性发生变化，可获得更理想的磁畴排列，从而提高磁致伸缩特性。在磁场作用下，会产生磁致伸缩的跃变效磁致伸缩特性。在磁场作用下，会产生

9、磁致伸缩的跃变效应。机理：无外场时，磁畴在外压力作用下沿应。机理：无外场时，磁畴在外压力作用下沿优先排优先排列，有外场时，磁畴发生大部分的突然转向，产生强制的列，有外场时，磁畴发生大部分的突然转向，产生强制的磁致伸缩跃变。磁致伸缩跃变。6.3 超磁致伸缩的产生机理超磁致伸缩的产生机理*目前目前普遍认为，普遍认为，超磁致伸缩现象是由超磁致伸缩现象是由于晶体在特定方向的于晶体在特定方向的电子分布受磁场的影响更大所电子分布受磁场的影响更大所致。致。 *在同一晶胞中，稀土原子的自旋磁矩与相邻稀土原子平行在同一晶胞中，稀土原子的自旋磁矩与相邻稀土原子平行而与相邻铁原子反平行。铁亚晶格的各向异性比稀土亚晶

10、而与相邻铁原子反平行。铁亚晶格的各向异性比稀土亚晶格小得多，稀土格小得多，稀土-铁化合物室温下的超磁致伸缩和磁各向异铁化合物室温下的超磁致伸缩和磁各向异性都来源于稀土原子。稀土原子拥有较大的原子磁矩和巨性都来源于稀土原子。稀土原子拥有较大的原子磁矩和巨大的磁各向异性，这正是产生超磁致伸缩的内禀条件。大的磁各向异性，这正是产生超磁致伸缩的内禀条件。*在在Laves相中，不同晶体学方向原子的排列不同，相中，不同晶体学方向原子的排列不同，方方向为原子最密排方向。若施加磁场，电子云的空间分布发向为原子最密排方向。若施加磁场，电子云的空间分布发生变化，从而原子间的作用力发生变化。构成四面体的原生变化，从

11、而原子间的作用力发生变化。构成四面体的原子间的引力增强，从而原子间的距离略有缩短。另一方面，子间的引力增强，从而原子间的距离略有缩短。另一方面，联系四面体和四面体的引力减弱，从而造成较大的伸长。联系四面体和四面体的引力减弱，从而造成较大的伸长。与收缩量相比伸长量要大得多，从而产生超磁致伸缩。与收缩量相比伸长量要大得多，从而产生超磁致伸缩。*在在Laves相化合物中，沿晶体相化合物中，沿晶体方向的磁致伸缩量最大，方向的磁致伸缩量最大，对于实际应用来说，对于实际应用来说，方向效果最好。方向效果最好。6.4 超磁致伸缩合金的制备超磁致伸缩合金的制备一、合金棒材、定向晶及单晶的制备一、合金棒材、定向晶

12、及单晶的制备1、棒材制备的主要方法、棒材制备的主要方法（1）压力差法）压力差法将配制熔炼好的母合金放于坩锅内，置于可抽真空和加压将配制熔炼好的母合金放于坩锅内，置于可抽真空和加压的容器里。容器上部通过密封环插入可移动的带石英管的的容器里。容器上部通过密封环插入可移动的带石英管的杆。抽真空，熔化合金并保温一定时间。将石英管插入熔杆。抽真空，熔化合金并保温一定时间。将石英管插入熔体中，充氩加压将熔体压入石英管中，冷却后即成棒材。体中，充氩加压将熔体压入石英管中，冷却后即成棒材。（2）合金熔体顺序凝固法）合金熔体顺序凝固法坩锅坩锅底部有一浇注孔。氧化铝热电偶保护管从上方插入注底部有一浇注孔。氧化铝热

13、电偶保护管从上方插入注孔作为注塞棒。孔作为注塞棒。坩锅坩锅孔下部安装铸模，铸模底部安装水冷孔下部安装铸模，铸模底部安装水冷铜盘。加热熔化铜盘。加热熔化坩锅中坩锅中的合金并保温一定时间，然后提起的合金并保温一定时间，然后提起注塞棒，使合金充满铸模并自下而上定向凝固，可制备具注塞棒，使合金充满铸模并自下而上定向凝固，可制备具有晶粒取向的合金棒材。有晶粒取向的合金棒材。2、定向晶及单晶制备的主要方法、定向晶及单晶制备的主要方法（1）Bridgman法法将预先熔炼的母合金放于坩锅中，用电阻丝或高频感应加将预先熔炼的母合金放于坩锅中，用电阻丝或高频感应加热熔化合金，然后以一定的速度使坩锅下降或使热源上移

14、热熔化合金，然后以一定的速度使坩锅下降或使热源上移(以形成定向温度梯度以形成定向温度梯度)，进行单向凝固以得到定向晶或单，进行单向凝固以得到定向晶或单晶。晶体取向为晶。晶体取向为方向。方向。（2）区熔法）区熔法分为垂直悬浮区熔法和水平区熔法。先将合金熔炼成棒材，分为垂直悬浮区熔法和水平区熔法。先将合金熔炼成棒材，然后用感应加热进行区域熔化，以得到定向晶或单晶。晶然后用感应加热进行区域熔化，以得到定向晶或单晶。晶体取向为体取向为方向。方向。（3）提拉法）提拉法将预先制备的合金置于坩锅中，用电阻丝、高频感应或电将预先制备的合金置于坩锅中，用电阻丝、高频感应或电弧加热熔化合金，用籽晶以一定速度向上提

15、拉，熔体逐渐弧加热熔化合金，用籽晶以一定速度向上提拉，熔体逐渐固化而生长出定向晶或单晶。提拉的晶体具有固化而生长出定向晶或单晶。提拉的晶体具有取向。取向。*常用的常用的Terfenol-D合金的产业化制备方法主要是区熔技术合金的产业化制备方法主要是区熔技术和改进的和改进的Bridgman技术。技术。二、粉末冶金制备二、粉末冶金制备1、合金粉末直接烧结法、合金粉末直接烧结法将组成元素稀土金属和铁用电弧炉或感应炉熔炼成合金，于将组成元素稀土金属和铁用电弧炉或感应炉熔炼成合金，于1000均匀化处理。破碎并球磨成几十微米的颗粒，经丙酮清均匀化处理。破碎并球磨成几十微米的颗粒，经丙酮清洗并真空干燥后，将

16、粉末装入橡皮管中，等静压成型，压制出洗并真空干燥后，将粉末装入橡皮管中，等静压成型，压制出的样品用钽箔包好，放入真空炉中于一定温度下烧结成产品。的样品用钽箔包好，放入真空炉中于一定温度下烧结成产品。2、磁场热处理烧结法、磁场热处理烧结法在橡皮管两端加上一个直流磁场，并叠加交流磁场，使粉在橡皮管两端加上一个直流磁场，并叠加交流磁场，使粉末产生振动，以便更容易使粉末定向。也可将交流磁场换末产生振动，以便更容易使粉末定向。也可将交流磁场换为脉冲磁场。在磁场中机械加压压实粉末，然后再烧结。为脉冲磁场。在磁场中机械加压压实粉末，然后再烧结。得到的样品具有较高的密度，具有得到的样品具有较高的密度，具有易磁

17、化轴的取向。易磁化轴的取向。3、其它粉末冶金方法、其它粉末冶金方法用真空感加炉熔炼合金，熔体急冷成小于用真空感加炉熔炼合金，熔体急冷成小于15 m的非晶态，的非晶态，再进行晶化热处理，得到的结晶态微粒，然后用粉末烧结再进行晶化热处理，得到的结晶态微粒，然后用粉末烧结方法制成样品。方法制成样品。6.5 磁致伸缩材料的应用磁致伸缩材料的应用一、一、磁致伸缩材料的应用基础磁致伸缩材料的应用基础（1）磁致伸缩效应）磁致伸缩效应(Joule效应效应) 制作磁致伸缩制动器制作磁致伸缩制动器（2）磁致伸缩逆效应）磁致伸缩逆效应(Villari效应效应) 制作磁致伸缩传感器制作磁致伸缩传感器（3） E效应：效

18、应：磁致伸缩材料由于磁化状态的改变而引起磁致伸缩材料由于磁化状态的改变而引起自身杨氏模量发生变化的现象，可用于声延迟线。自身杨氏模量发生变化的现象，可用于声延迟线。（4）魏德曼效应）魏德曼效应(Viedemann效应效应)：在磁性体上形成适当：在磁性体上形成适当的磁路，当有电流通过时，磁性体发生扭曲变形的现象，的磁路，当有电流通过时，磁性体发生扭曲变形的现象，可用于扭转马达。可用于扭转马达。（5）魏德曼逆效应）魏德曼逆效应(Anti-Viedeman效应效应)：使圆管状磁致：使圆管状磁致伸缩材料沿管轴发生周向扭曲，同时沿轴向施加交变磁场，伸缩材料沿管轴发生周向扭曲，同时沿轴向施加交变磁场，则沿

19、圆周出现交变磁化的现象，可用于扭转传感器。则沿圆周出现交变磁化的现象，可用于扭转传感器。二、声学领域二、声学领域的应用的应用1、声纳系统、声纳系统电磁波常被用于通讯和探测等方面。但在水下它因衰减过电磁波常被用于通讯和探测等方面。但在水下它因衰减过快而无法利用，于是人们利用声波及超声波讯号来进行水快而无法利用，于是人们利用声波及超声波讯号来进行水下通讯、探测、遥控等工作，声纳就成为潜艇的口、眼。下通讯、探测、遥控等工作，声纳就成为潜艇的口、眼。早先采用的都是压电材料，但它们有以下缺点：早先采用的都是压电材料，但它们有以下缺点：(1)机电转机电转换系数低，输出功率低；换系数低，输出功率低；(2)响

20、应频率高，信号在水下衰减响应频率高，信号在水下衰减快、传输距离小；快、传输距离小；(3)在数千伏的高压下工作，安全性差。在数千伏的高压下工作，安全性差。自从大应变和低响应频率的自从大应变和低响应频率的REFe2压磁材料出现以来，声压磁材料出现以来，声纳性能大大改善，海底探测距离已达到数千公里。纳性能大大改善，海底探测距离已达到数千公里。应用领域：海底通讯、海底测绘、海洋捕捞、矿藏勘探、应用领域：海底通讯、海底测绘、海洋捕捞、矿藏勘探、油井测探、超声邻近传感器、超声焊接、超声无损探伤、油井测探、超声邻近传感器、超声焊接、超声无损探伤、超声全息摄像、超声体外排石等等。超声全息摄像、超声体外排石等等。2、声延迟线、声延迟线REFe2等化合物的弹性模量等化合物的弹性模量E随磁场的改变变化极大，由于随磁场的改变变化极大，由于E的变化，声速也随磁场发生显著改变。利用这种效应，美的变化，声速也随磁场发生显著改变。利用这种效应，美国人国人Arthur.E.Clark研制成可变延迟线。研制成可变延迟线。三、伺服领域三、伺服领域的应用的应用*伺服机构是将伺服机构是将电信号及磁信号等的能量变换为机械能的机电信号及磁信号等的能量变换为机械能的机构。构。*