超磁致伸缩材料

1、重 庆 科 技 学 院磁性材料课程论文论文题目：稀土超磁致伸缩材料的制备和应用指导老师： 马毅龙 姓 名： 汪永红 学 号： 2009440547 年 级： 金属材料工程09级2班 成 绩： 评 语： 2012 年 6月 10 日稀土超磁致伸缩材料的制备和应用汪永红（重庆科技学院 冶金与材料工程学院，重庆401331）Fabrication and application of Rare Earth Giant Magneto-Stricfive MaterialsWang Yong-hong(School of Metallurgy and Materials Engineering of

2、Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China)摘要：稀土超磁致伸缩材料（Rare Earth Giant Magneto-Stricfive Materials)作为2l世纪一种最具有战略性的材料，其优良的特性和广泛的应用前景在国际范围内得到普遍重视，已成为磁致伸缩材料研究的重点。简要介绍了稀土超磁致伸缩材料的概念、制备方法及其应用，并指出了一些研究反方向。关键词：稀土超磁致伸缩材料，制备，应用Abstract：As a new strategic material in 21st century，R

3、E-GMSM has been taken into account and become the keystone on magneto-strictive material studies because of its superior properties and extensive application prospects. A brief description of the conception，fabrication and applications of REGMSM was presentedSome suggestions for the development dire

4、ctions were also mentionedKey Words：rare earth giant magneto-strictive materials；fabrication；application1 前言稀土超磁致伸缩材料（REGMM）主要是指稀土一铁系金属间化合物材料：铽镝铁 (Tb-Dy-Fe) 磁致伸缩材料。这类材料具有比铁、镍等大得多的磁致伸缩值，磁致伸缩应变( =II )比一般磁致伸缩材料高约100倍，因此被称为稀土超磁致伸缩材料1。铁磁性晶体在外磁场中被磁化时，其长度尺寸及体积大小均发生变化，去掉外磁场后，其又恢复原来长度与体积的现象被称为磁致伸缩或磁致伸缩效应2。磁致

5、伸缩可分为：线磁致伸缩和体积磁致伸缩3。当磁性体被磁化时，沿磁化方向伸长或缩短，称为线磁致伸缩。发生线磁致伸缩时，磁性体的体积几乎不变。当磁化未达到饱和时，主要是产生线磁致伸缩，磁致伸缩一般均指线磁致伸缩。磁性体磁化状态改变时，体积发生膨胀或收缩的现象则称为体积磁致伸缩。磁性体磁化饱和以后主要产生体积磁致伸缩。在绝大部分磁性体中，体积磁致伸缩很小，实际的用途也很少，因此很少考虑它。目前国内外磁致伸缩材料主要有以下几大类：(1)金属与合金磁致伸缩材料。如：Ni金属，NiCo合金，NiCo Cr合金等镍和镍基合金，FeNi合金，Fe一 合金，Fe.Co V合金等铁基合金。(2)铁氧体磁致伸缩材料。

6、如：NiCo和NiCo Cu等铁氧体材料。(3)锕系金属化合物4。（4）稀土过渡金属间化合物磁致伸缩材料。其中以稀土过渡金属间化合物磁致伸缩材料的研制开发最为成功，特别是铽镝铁磁致伸缩合金(TerfenolD)的研制成功，更是开辟了磁致伸缩材料的新时代，成为稀土磁功能材料继稀土永磁材料之后的第二次重要突破。目前稀土超磁致伸缩材料已被广泛应用于各种尖端技术和军事技术中，对传统产业的现代化产生了重要的作用。近几年来，国外发达国家在这方面的工艺研究和应用研究已基本完成，开始向商品化的阶段过渡，已开发出近千种应用器件。我国在稀土超磁致伸缩材料上的研究始于上世纪90年代，至今已取得一定成果，理论研究已达

7、到或接近国外先进水平，但在规模化生产，产品应用与开发等方面与国外仍有明显差距1,5。2 稀土超磁致伸缩材料的制备方法稀土超磁致伸缩材料的制备方法主要有定向凝固法和粉末冶金法两种1,5,6,7。2.1定向凝固法定向凝固法的目的是在一次相变成型过程中控制合金样品的宏观晶体取向和凝固组织结构以提高其磁致伸缩性能。在理想情况下希望样品的轴向为<l11>方向，因为研究表明，稀土磁致伸缩应变具有各向异性特点，沿<111>方向最大。但实际上合金自身的特性及凝固特点决定了获得理想凝固组织是非常困难的。定向凝固法又包括“丘克拉斯基法”、“布里奇曼法” 和“区熔法”三种8。2.1.1丘克拉

8、斯基法丘克拉斯基法又称提拉法，是将一小籽晶在旋转的同时从母合金熔液中以一定速度向上提拉，以这个小籽晶为基底，发生晶粒长大，长大方式为平而长大方式，长大以后的晶体取向与该籽晶晶体的取向一致。因此通过控制籽晶的晶体取向可以获得<111>取向的合金样品。用此法制备稀土超磁致伸缩材料还存在很多问题。通常为了保证样品在旋转提拉过程中的连续性及晶粒生长界面无成分过冷，提拉速度一般只有每秒几微米，这样低的速度不仅效率低、稀土元素挥发严重，还容易析出一些有害相，这将极大地降低样品磁致伸缩性能。2.1.2 布里奇曼法布里奇曼法是将母合金置于Al203坩埚内整体加热熔化，然后向下抽拉熔化合金，逐渐移出

9、加热区并发生顺序凝固以形成定向凝固组织。这种方法主要控制参数是抽拉速率和固液界面温度梯度。如果温度梯度一定，抽拉速率的大小将影响合金的凝固特性，从而影响固液界面形态和最终凝固组织与晶体取向。此法制备稀土超磁致伸缩材料的主要问题是样品整体加热造成稀土烧损，同时难以实现高的温度梯度。2.1.3 区熔法区熔法是将合金棒置于一单匝感应线圈中，当感应线圈从合金棒的一端移向另一端时，整个合金棒顺序经历了一次熔化凝固过程，从而形成定向凝固组织。与布里奇曼法相比，区熔法合金熔化时间短，有利于减少稀土元素的烧损，但同时为了保持定向凝固过程的稳定性，此法感应线圈的相对移动速度必须与加热功率、熔化区宽度、液相温度、

10、液相表面张力等参数相匹配，因此在控制上难度更大。以上3种定向凝固工艺普遍存在着工序长、效率低、操作困难、成本高、性能不均匀等缺点4。2.2 粉末冶金法粉末冶金法包括烧结法和粘结法。粉末冶金法与定向凝固法相比较具有效率高、成本低、产品机械性能好、利于制备形状复杂的合金产品等优点。2.2.1 烧结法烧结法制备稀土超磁致伸缩材料的主要工艺过程是：将一定成分合金在氩气的保护下破碎，在酒精介质中球磨，真空干燥后在模具中压制成型，然后在氩气保护下烧结。成型时应用磁场取向和磁场热处理可提高合金的磁致伸缩性能。粉末烧结法可制备形状复杂的合金样品和制备异形大尺寸元件9。相对生产效率高、成本低。2.2.2 粘结法

11、粘结法是指将经过冶炼、研磨的合金粉末与树脂、塑料或低熔点合金等粘结剂均匀混合，然后压制、挤出或注射成型制成一定形状的复合材料的过程。虽然粘结剂的加入引起了材料成分的变化，使材料密度降低，磁致伸缩性能有所下降，但粘结磁体具有工艺过程简单，原材料利用率高，可制成形状复杂的磁体，成本低廉等优点，同时添加了粘结剂使材料的电阻增大，高频特性明显得到改善。因此，粘结工艺越来越引起人们的重视，特别是近几年粘结NdFeB出现以后，粘结工艺飞速发展，得到了广泛的应用。3 稀土超磁致伸缩材料的应用稀土超磁致伸缩材料的应用是基于它的6个效应。3.1 磁致伸缩材料的物理效应磁致伸缩材料具有如下6种效应10：l、磁致伸

12、缩效应(焦耳效应)：材料在磁化状态改变时， 自身尺寸发生相应变化的一种现象。磁致伸缩有线磁致伸缩(长度变化)和体磁致伸缩(体积变化)之分。其中线磁致伸缩效应明显，用途广泛，故一般提到的磁致伸缩都是指线磁致伸缩。2、磁致伸缩的逆效应(villari效应)：对铁磁体材料施加压力或拉力，材料在长度发生变化的同时，内部的磁化状态也随之改变的现象。3、威德曼效应(Wiedemann效应)：在被磁化了的铁磁体棒材中通电流时，棒材沿轴向发生扭曲的现象。4、威德曼效应的逆效应(Matteucci效应)：将铁磁体棒材绕轴扭转，并沿棒材的轴向施加交变磁场时沿棒材的圆周方向会产生交变磁场的现象。5、E效应：磁致伸缩

13、材料由于磁化状态的改变而引起自身杨氏弹性模量发生变化的现象。6、跳跃效应(Jump效应)：当磁致伸缩材料外加预应力时，磁致伸缩呈跳跃式变化，磁化率也发生变化，即磁致伸缩不仅与外加磁场有关，还与外加载荷有关。因此，应用超磁致伸缩材料时，一般均要加一定的预应力。3.2 超磁致伸缩磁材料应用正是由于上述效应的存在，磁致伸缩材料才能广泛应用于超声波、机器人、计算机、汽车、致动器、控制器、换能器、传感器、微位移器、精密阀和防震装置等领域。3.2.1 稀土超磁致伸缩材料致动器1,6：该致动器是步进马达，用于微米级或更精细的定位，其结构如图1所示，主要由推进器、驱动卡具、固定卡具、转换器四部分组成。其工作原

14、理为驱动卡具张开，使转换器与推进器连接，加磁场使推进器伸长，使转换器前移。固定卡具张开使转换器与底盘(不动盘)连接，驱动卡具张开，去磁场使推进器带动驱动卡具退回，固定卡具松开，实现前移一个超磁致伸缩棒伸长量。循环往复，可使转换器一步步前移。这种执行器可获得较大的推力，产生大的位移(最大位移10um)，实现高的分辨率(如果加以恒温控制，可望得到位移分辨率10nm)，高的能量密度，可低电压使用，快速响应，微控制宽频带使用，同时使用温度范围宽，极其稳定，无极化和老化问题。图1 磁致伸缩致动器示意图 电一声换能器5主要用于军事技术、海洋探测与开发、海洋工程的水声声纳。以前声纳的水声发射换能器主要用压电

15、陶瓷材料(PZT)来制造。这种材料制造的水声换能器的频率较高(20kHz以上)、衰减快、传播距离短，同时发射功率小、体积大、笨重11-12。随着舰艇隐身技术的发展，现代舰艇可吸收频率在3.0kHz以上的声波，起到隐身的作用13。而用稀土超磁致伸缩材料制造的换能器其能量密度为压电换能转换器的10倍，工作距离超过104km，是压电换能器的几十倍12，所以各发达国家都正在大力开发用稀土超磁致伸缩材料制造的低频(频率为几十至2000Hz)，大功率(声源级约220dB)的声纳用或水声对抗用发射水声换能器，目前已装备海军4。低频可打破敌方舰艇的隐身技术，大功率可探测更远距离的目标；同时由于体积小，重量轻，

16、可提高舰艇的作战能力。因此，今后声纳用和水声对抗用发射水声换能器的发展方向应是低频、大功率、大基阵。此外，稀土超磁致伸缩材料还被用于地质科学与工程的陆地声纳、石油工业的工业声纳、加工制造业、医学和民用的超声换能器，其功率达数千瓦是压电换能器最大功率的10倍。例如：稀土超磁致伸缩材料电声换能器用于波动采油，可提高油井的产油量达20100 ；用该材料制造的平板型喇叭，振动力大，音质好，高保真，可使楼板、墙体、桌面、玻璃窗振动和发音，可作水下音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断层分析系统OAT(Ocean Acoustic Topography)和海洋气候声学温度测

17、量系统ATOC(The Acoustic Thermometry Of Ocean Climate)的水声发射换能器，其信号可发射到1000km 的范围，可用于测量海水温度和海流的分布图。3.2.3 电一机换能器1,4,5主要用于小型受控动作器件和精度可以达到纳米级，承受载荷能力(60kgmm )为压电器件20倍的RE精密定位系统；输出100kg力，极限速度达lms，极限行程为无限，控制精度达亚微米级的超磁致伸缩线性马达；减震能力超过以往任何技术的主动降噪减震装置；每秒动作2000次的高速、强力RE伺服伐；以及伺服泵、燃料注入系统、制动器等14。被广泛用于汽车、飞机、航天器、机器人、精密机床、

18、精密仪器、计算机、光通讯、印刷等方面。3.2.4 传感器和电子器件1利用稀土超磁致伸缩材料在磁场中产生应变的原理，可以用来设计制造袖珍测磁仪，探测位移、力、加速度的传感器，以及可调谐的表面声波器件等14。利用稀土超磁致伸缩材料变形或受力可引起磁场及线圈输出信号的相应变化，可以设计制造探测位移、力、加速度的传感器以及可调控的表面声波器件。由于稀土超磁致伸缩材料在磁场中的弹性模量变化极大(15095)，相应声速也变化很大这一特性，可用来设计可调谐的声波器件、声纳的相位传感器、振荡器等。这些器件用于军事、航天航空、海洋、石油、地质、运输、化工、加工、制造、机器人、自动化、计算机、印刷、仪器仪表相关的

19、工程技术，使产品性能大幅度提高，结构微型化，或使传统技术不可能获得的功能得以实现。与此相应，TerfenolD的产量从1989年的100 kg增加到1995年的10 t，1995年销售额近0.5亿美元，预计2015年将达到l7亿美元14。4 结束语超磁致伸缩材料的应用前景广阔，是高新技术领域关键性的材料之一。我国是一个稀土大国，稀土储量占具世界总储量的80 ，所以在我国研究和开发稀土超磁致伸缩材料更具有深远意义。稀土超磁致伸缩材料的研究，也逐渐随着制备方法的改进和磁致伸缩材料物理效应的应用不断深入，制备出相应的性能更好的器件。参考文献：1刘蓉生稀土超磁致伸缩材料的及其应用J四川稀土2006,2

20、:30-322 黎文献，余琨，谭敦强，马正青，陈鼎稀土超磁致伸缩材料的研究J .Mining And Metallurgical Engineering(矿冶工程)2000,20(3):64-673 邬义杰 超磁致伸缩材料发展及其应用现状研究JMechanical & Electrical Engineering Magazine(机电工程)2004,21(4):55-584 李扩社，徐静，杨红川，袁永强，徐建林，于敦波，张深根稀土超磁致伸缩材料发展概况J .Chinese Rare Earths（稀土）2004,25(4):51-56.5 李扩社,徐静,张深根.稀土超磁致伸缩材料进展J .Metallic Functional Materials（金属功能材料）2003,10(6):30-33.6 李淑英,陈双平.稀土超磁致伸缩材料的制备与应用J .Journal Of Taiyuan Ocean University Of Technology (太原理工大学学报)2005,36:5-67 蒋成保，宫声凯，徐惠彬. 超磁致伸缩材料及其在航空航天工业中的应用JActa Aeronautica Et As