功能材料课件：第二章 磁性材料三 几种典型磁性材料

1、第二章 磁性材料（三）几种典型磁性材料主要内容一、磁致伸缩材料二、磁阻材料三、磁记录材料四、巨磁化强度材料一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料概念对于长度为L的磁体，磁致伸缩系数=L / L。材料的值通常随磁场的增加而增加，当磁化强度达到饱和时，值也达到饱和，称为饱和磁致伸缩系数，以s表示。磁致伸缩： 磁性材料在磁场中磁化时，它沿磁场方向的长度发生伸长和缩短，这一现象称为磁致伸缩（magnetostrictive）。是材料的本征特性。可以实现电/磁能与机械能之间的相互转化。一、磁致伸缩材料发展1842年，焦耳发现磁致伸缩现象；1940年代，Ni和Co的多晶磁致伸缩材料应用s10-519631965

2、年，重稀土单晶金属Tb和Dy等s10-31972年，TbFe2金属间化合物室温下s10-3（0.10.2）1973年，美国人AE Clark发现Tb0.3Dy0.7Fe2(Terfenol-D)s（0.25%）1990年代， Tb0.3Dy0.7Fe2中加入合金元素改性。2000年左右，新型FeGa合金s（25010-6）一、磁致伸缩材料种类超磁致伸缩超磁致伸缩材料典型代表：稀土铁系金属间化合物，如：TbFe2、 DyFe2一、磁致伸缩材料特性稀土铁磁致伸缩材料饱和磁场强度高磁致伸缩符号不同一、磁致伸缩材料RFe2的结构在Laves相化合物中，沿最密排 方向的磁致伸缩量最大一、磁致伸缩材料 T

3、b0.3Dy0.7Fe2超磁致伸缩材料Tb0.3Dy0.7Fe2是由磁晶各向异性相反的化合物TbFe2和DyFe2混合而成。混晶降低了超磁致伸缩材料的磁晶各向异性能，使其在低的磁场下即可达到磁饱和。施加一定的压应力可以提高磁致伸缩量。一、磁致伸缩材料应力效应外加压应力对磁致伸缩材料的磁致伸缩特性的影响。一、磁致伸缩材料工艺与性能制备工艺对磁致伸缩性能影响一、磁致伸缩材料组织结构与特性TbDyFe合金可以制备成多种晶体形式。不同机构对应不同性能。超磁致伸缩材料的制备方法 （1） 定向结晶法 a. 布里奇曼法 b.垂直悬浮区域熔化法 c.丘克拉斯基法 （2）粉末烧结法 （3）粘结法 （4）薄膜制备

4、技术 一、磁致伸缩材料 制备方法 a. 布里奇曼法原料置入石英坩锅内感应加热，熔体自下而上移出加热区，使其发生顺序凝固，形成定向结晶。一、磁致伸缩材料 制备方法优点： 设备简单，操作容易。缺点：稀土容易烧损，难以实现高的温 度梯度，因此对凝固组织不利。b.垂直悬浮区域熔化法扁平线圈加热，线圈或样品以一定速度移动。一、磁致伸缩材料 制备方法优点：熔化时间短，稀土烧损少，成分 容易控制，性能优良。缺点：设备要求高，实际操作困难。c.丘克拉斯基（Czchralski ）法（提拉法）耔晶固定在钨棒上，插入熔体中，边旋转边提拉，熔体便以籽晶为基底形成定向结晶。一、磁致伸缩材料 制备方法优点：可以获得较大

5、的产品。缺点：提拉速度慢，效率低，稀土烧损 严重，成分不均匀，性能难以控制。TbDyFe合金的缺点：脆性大，饱和磁场高，成本高FeGa（Al）等合金：塑性好，饱和磁场小，成本低：成为新型磁弹性材料一、磁致伸缩材料 Fe基合金特点与发展早期：Fe-Al和Fe-Be合金有可观的低场磁致伸缩性能，良好的机械强度和韧性：1965年：001 取向的Fe-15at%Al合金s =14010-6；1993年：室温下Fe-3.1Be合金s 5510-6，而Fe-6.8Be的s = 10110-6 ；2000年： Fe85Ga15单晶s 25010-6A.E.Clark,et al. IEEE Trans On

6、 Magnetics, 36 (2000) 3238部分Fe基合金的磁致伸缩性能一、磁致伸缩材料 Fe基合金性能A.E.Clerk, Magnetostrictive properties of Fe-Ga alloys under large compressive stresses, IEEE 2000, BS-12 室温下Fe85Ga15单晶在100取向上的（a）磁致伸缩特性和（b）磁化曲线与应力的关系。一、磁致伸缩材料 FeGa合金Fe100-xGax合金经过800oC热处理水淬（空心方）和炉冷（黑三角）后的磁致伸缩性能与成分关系。一、磁致伸缩材料 FeGa合金在Ga含量为17%时，磁

7、致伸缩性能最好。对于相同成分的合金，水淬比热处理状态的磁致伸缩性能高。 45.3MPa外加应力下Fe81Ga19单晶在不同温度下的磁致伸缩 温度升高后磁致伸缩下降一、磁致伸缩材料 FeGa合金一、磁致伸缩材料应用大应变、大应力（并具有相应的强度）高响应速度软磁性低驱动磁场高居里温度对温度变化不敏感高可靠性从应用角度，超磁致伸缩材料应具备的条件：超磁致伸缩材料和压电陶瓷的性能比较Tb0.3Dy0.7Fe1.9压电陶瓷s 1061500-2000400居里温度Tc 380300机电耦合系数k330.720.68能量密度 J/m31400025000960密度 g/cm39.257.5抗拉强度 MP

8、a2876相对原料费用301一、磁致伸缩材料 性能比较应用领域振动主动控制大功率低频声纳系统 新型飞机自适应机翼 高精度快速微位移致动器微型机械功率源 滤波器件军事航天航空工业民用特点： 应变值高,能量密度大,响应快,精度高新型换能材料磁能/电能 机械能/声能一、磁致伸缩材料应用一、磁致伸缩材料 TbDyFe合金定向凝固TbDyFe合金一、磁致伸缩材料应用在精密控制方面：通过调整磁致伸缩量的大小控制喷嘴流量TbDyFe材料可通过作动器的形式实现其功能MagAct型作动器实物图MagAct 型作动器实物图一、磁致伸缩材料应用 水下发射型声纳是稀土超磁致伸缩材料最早和最重要的应用，主要用于水下通讯

9、、探测、侦察、伪装和制导等军事用途，还可用于捕渔、海底测绘、油井井深探测、输油管道堵塞探测等其它用途。磁 - 声换能器 一、磁致伸缩材料应用超声波释放器增加采油量一、磁致伸缩材料应用二、磁阻材料二、磁阻材料磁致电阻效应横磁致电阻效应：施加的磁场与电流垂直引起电阻减少纵磁致电阻效应：施加的磁场与电流平行引起电阻增加起源于自旋轨道相互作用。磁致电阻效应（magneto-resistance effect）:MRRH(H)为磁场为H时的电阻（率）R0(0)为磁场为0时的电阻（率）表征磁致电阻大小的物理量为MR比，即磁电阻系数。MR效应： 26，如：坡莫合金（Ni-Fe合金）及Ni-Co合金。1988

10、年，巨磁致电阻效应GMR （ gaint magneto-resistance effect ）： 可达50，如： Fe/Cr纳米金属多层膜（金属超晶格）。二、磁阻材料各种磁致电阻效应用途：小型化、微型化高密度磁记录读出头、随机存储器和传感器1993年，超巨磁电阻效应CMR（ colossal magneto-resistance effect ）： 103106，如：类钙钛矿结构锰氧化物。二、磁阻材料巨磁致电阻效应 法国科学家阿尔贝费尔（左）和德国科学家彼得格林贝格尔（右）因先后独立发现了“巨磁电阻”效应，分享2007年诺贝尔物理学奖。 金属超晶格的巨磁电阻效应二、磁阻材料巨磁致电阻效应二、

11、磁阻材料巨磁致电阻效应金属超晶格具有GMR效应的三个条件：（1）在铁磁性导体/非磁性导体超晶格中，构成反平行自旋结构。（如右图）（2）金属超晶格的周期（每一个重复层的厚度）应比载流子电子的平均自由程短。（3）自旋取向不同的两种电子（向上和向下），在磁性原子上的散射差别必须很大。磁性层：Fe、Co、Ni及其合金非磁性导体层：Cu、Ag、Au贵金属、Cr二、磁阻材料巨磁致电阻效应金属超晶格GMR效应的特点：（1）电阻变化率大；（2）负效应：随磁场增加，电阻只是 减小而不增加，无横纵效应之分；（3）电阻变化与磁化强磁场之间 角度无关；（4）对非磁性导体隔离层厚度十分敏感；（5）具有积层数效应：如Fe

12、/Cr系，在60 层以下，随积层数增加，MR比 增加，逐渐趋于最大。二、磁阻材料巨磁致电阻效应典型的金属超晶格系统Co/Cu、(Co-Fe)/Cu，Co/Ag(Ni-Fe)/Ag、 (Ni-Fe)/Cu、 (Ni-Fe-Co)/Cu(Ni-Fe-Co)/Cu/Co二、磁阻材料超巨磁致电阻效应1993年超巨磁电阻效应： （ colossal magneto-resistance effect ）： 103106，如：钙钛矿结构氧化物：La2/3Ba1/3MnO3机制：磁场使系统的绝缘体状态转变成具有金属特性状态所致。二、磁阻材料超巨磁致电阻效应三、磁记录材料三、磁记录材料概述磁记录：在磁记录介质

13、铁磁性材料上，对应要记录的信息，记录下不同的残留磁化强度。磁记录是在磁性介质表面，按信号要求，形成微小永磁体三、磁记录材料磁记录模式三、磁记录材料磁头材料通过读写磁头在磁盘上记录或获取信息三、磁记录材料磁头工作原理磁记录材料磁头材料磁记录介质材料三、磁记录材料磁头种类三、磁记录材料磁头材料三、磁记录材料磁头材料三、磁记录材料磁记录介质三、磁记录材料磁记录介质三、磁记录材料磁记录介质磁记录介质制备工艺：电镀法。真空蒸镀法（生产效率高）溅射法三、磁记录材料磁记录介质四、巨磁化强度材料四、巨磁化强度材料Fe16N2经典的SLATER-PAULING曲线说明3d过渡金属系最高磁化强度为2.45T四、巨磁化强度材料Fe16N2Fe16N2四、巨磁化强度材料Fe16N2”-