1、第六章 磁致伸縮材料,*定義：磁性材料由于磁化狀態(tài)的改變，其長度和體積都要發(fā)生微小的變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。 =L/L為磁致伸縮系數(shù)。,6.1 磁致伸縮材料概述,*發(fā)展史： *大部分材料的只有10-6數(shù)量級(jí)，一直難以實(shí)用化。 *1940年，Ni和Co的多晶材料出現(xiàn)后，磁致伸縮材料才得到實(shí)出化。Ni：=4010-6 *1950年，發(fā)現(xiàn)了Alfer Fe-13A1合金，它的磁致伸縮值達(dá)到110-4,*20世紀(jì)60年代，Clark等致力于稀土類磁致伸縮材料的研究。發(fā)現(xiàn)具有立方Laves相結(jié)構(gòu)的TbFe2，DyFe2等二元稀土鐵化合物，其室溫下的值達(dá)260010-6以上。該類材料的值比傳統(tǒng)材料要大

2、上百倍，因此稱為超磁致伸縮材料。,*1974年，Clark等人成功地發(fā)現(xiàn)了三元稀土過渡族金屬間化合物Tb0.27Dy0.73Fe2合金，它具有磁致伸縮值高、居里溫度高、磁晶各向異性能小等優(yōu)點(diǎn)。,*從實(shí)用角度來看，磁致伸縮材料應(yīng)具備以下特性： (1)變位量及產(chǎn)生的應(yīng)力要大；(2)響應(yīng)速度快；(3)軟磁性； (4)可在低磁場下驅(qū)動(dòng)；(5)居里溫度高； (6)在使用氣氛中磁致伸縮特性對(duì)溫度的變化不敏感； (7)高可靠性；(8)環(huán)保性優(yōu)良，兼?zhèn)涫袌龈偁幜Α?6.2 超磁致伸縮材料,一、 超磁致伸縮材料種類,（1）稀土金屬 稀土金屬、特別是重稀土金屬在低溫下具有很大的磁致伸縮。但稀土金屬的居里溫度較低，

3、在室溫下不能直接應(yīng)用。,（2）稀土-過渡金屬間化合物 稀土-過渡金屬形成的化合物具有較高的居里溫度。,（3）非晶薄膜合金 采用濺射方法制備稀土-過渡金屬非晶薄膜，非晶薄膜具有良好的軟磁性能，其在低磁場下的磁致伸縮顯著提高。,（4）稀土氧化物 一些稀土氧化物在低溫下具有很大的磁致伸縮。 如Tb3Fe5O12在4.2K時(shí)，磁致伸縮(111)為246010-6，在78K時(shí)，為56010-6。,（5）錒系金屬化合物 錒系元素與鐵及其他元素形成的化合物在低溫下也具有較大的磁致伸縮，有的甚至超過了稀土化合物。但它們的居里溫度只有100K左右，難以在工程中實(shí)際應(yīng)用。,二、Tb-Dy-Fe超磁致伸縮材料,1、

4、Tb-Dy-Fe系合金的磁致伸縮特性 稀土-過渡金屬系是最具應(yīng)用前景的化合物系。其中，REFe2系立方Laves相化合物不僅磁致伸縮應(yīng)變大，而且居里溫度也較高，是最主要的合金系。 缺點(diǎn)：磁晶各向異性能很高，使用時(shí)需要強(qiáng)磁場。 方案：利用各向異性常數(shù)符號(hào)相反的不同ReFe2合金相混合，可獲得較低磁晶各向異性能的磁致伸縮材料。,*研究表明：有最佳磁致伸縮特性和實(shí)用價(jià)值的是被稱為Terfenol-D的Tb-Dy-Fe系合金。,2、磁致伸縮與合金組成的關(guān)系 對(duì)于Tb0.27Dy0.73Fe2-y合金，在y=0.15和y=0.025處各出現(xiàn)一個(gè)磁致伸縮峰值，對(duì)于TbxDy1-xFe2合金，當(dāng)x=0.7時(shí)

5、，磁致伸縮也出現(xiàn)一個(gè)峰值。對(duì)四元系合金，第四組元Mn對(duì)合金磁致伸縮性能也有影響，在Mn含量約為0.125時(shí)出現(xiàn)峰值。,3、磁致伸縮與溫度的關(guān)系 稀土-鐵化合物隨著溫度的改變，會(huì)產(chǎn)生自旋再取向，易磁化軸方向也會(huì)發(fā)生變化。,4、磁致伸縮與預(yù)應(yīng)力的關(guān)系 稀土-鐵合金外加預(yù)應(yīng)力時(shí)，磁性體會(huì)發(fā)生變形，磁化和磁各向異性發(fā)生變化，可獲得更理想的磁疇排列，從而提高磁致伸縮特性。在磁場作用下，會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮的躍變效應(yīng)。機(jī)理：無外場時(shí)，磁疇在外壓力作用下沿優(yōu)先排列，有外場時(shí)，磁疇發(fā)生大部分的突然轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生強(qiáng)制的磁致伸縮躍變。,6.3 超磁致伸縮的產(chǎn)生機(jī)理,*目前普遍認(rèn)為，超磁致伸縮現(xiàn)象是由于晶體在特定方向的電子分

6、布受磁場的影響更大所致。,*在同一晶胞中，稀土原子的自旋磁矩與相鄰稀土原子平行而與相鄰鐵原子反平行。鐵亞晶格的各向異性比稀土亞晶格小得多，稀土-鐵化合物室溫下的超磁致伸縮和磁各向異性都來源于稀土原子。稀土原子擁有較大的原子磁矩和巨大的磁各向異性，這正是產(chǎn)生超磁致伸縮的內(nèi)稟條件。,*在Laves相中，不同晶體學(xué)方向原子的排列不同，方向?yàn)樵幼蠲芘欧较颉Ｈ羰┘哟艌?，電子云的空間分布發(fā)生變化，從而原子間的作用力發(fā)生變化。構(gòu)成四面體的原子間的引力增強(qiáng)，從而原子間的距離略有縮短。另一方面，聯(lián)系四面體和四面體的引力減弱，從而造成較大的伸長。與收縮量相比伸長量要大得多，從而產(chǎn)生超磁致伸縮。,*在Laves相

7、化合物中，沿晶體方向的磁致伸縮量最大，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說，方向效果最好。,6.4 超磁致伸縮合金的制備,一、合金棒材、定向晶及單晶的制備,1、棒材制備的主要方法 （1）壓力差法 將配制熔煉好的母合金放于坩鍋內(nèi)，置于可抽真空和加壓的容器里。容器上部通過密封環(huán)插入可移動(dòng)的帶石英管的桿。抽真空，熔化合金并保溫一定時(shí)間。將石英管插入熔體中，充氬加壓將熔體壓入石英管中，冷卻后即成棒材。,（2）合金熔體順序凝固法 坩鍋底部有一澆注孔。氧化鋁熱電偶保護(hù)管從上方插入注孔作為注塞棒。坩鍋孔下部安裝鑄模，鑄模底部安裝水冷銅盤。加熱熔化坩鍋中的合金并保溫一定時(shí)間，然后提起注塞棒，使合金充滿鑄模并自下而上定向凝固，可制

8、備具有晶粒取向的合金棒材。,2、定向晶及單晶制備的主要方法 （1）Bridgman法 將預(yù)先熔煉的母合金放于坩鍋中，用電阻絲或高頻感應(yīng)加熱熔化合金，然后以一定的速度使坩鍋下降或使熱源上移(以形成定向溫度梯度)，進(jìn)行單向凝固以得到定向晶或單晶。晶體取向?yàn)榉较颉?（2）區(qū)熔法 分為垂直懸浮區(qū)熔法和水平區(qū)熔法。先將合金熔煉成棒材，然后用感應(yīng)加熱進(jìn)行區(qū)域熔化，以得到定向晶或單晶。晶體取向?yàn)榉较颉?（3）提拉法 將預(yù)先制備的合金置于坩鍋中，用電阻絲、高頻感應(yīng)或電弧加熱熔化合金，用籽晶以一定速度向上提拉，熔體逐漸固化而生長出定向晶或單晶。提拉的晶體具有取向。,*常用的Terfenol-D合金的產(chǎn)業(yè)化制備方

9、法主要是區(qū)熔技術(shù)和改進(jìn)的Bridgman技術(shù)。,二、粉末冶金制備,1、合金粉末直接燒結(jié)法 將組成元素稀土金屬和鐵用電弧爐或感應(yīng)爐熔煉成合金，于1000均勻化處理。破碎并球磨成幾十微米的顆粒，經(jīng)丙酮清洗并真空干燥后，將粉末裝入橡皮管中，等靜壓成型，壓制出的樣品用鉭箔包好，放入真空爐中于一定溫度下燒結(jié)成產(chǎn)品。,2、磁場熱處理燒結(jié)法 在橡皮管兩端加上一個(gè)直流磁場，并疊加交流磁場，使粉末產(chǎn)生振動(dòng)，以便更容易使粉末定向。也可將交流磁場換為脈沖磁場。在磁場中機(jī)械加壓壓實(shí)粉末，然后再燒結(jié)。 得到的樣品具有較高的密度，具有易磁化軸的取向。,3、其它粉末冶金方法 用真空感加爐熔煉合金，熔體急冷成小于15m的非晶

10、態(tài)，再進(jìn)行晶化熱處理，得到的結(jié)晶態(tài)微粒，然后用粉末燒結(jié)方法制成樣品。,6.5 磁致伸縮材料的應(yīng)用,一、磁致伸縮材料的應(yīng)用基礎(chǔ),（1）磁致伸縮效應(yīng)(Joule效應(yīng)) 制作磁致伸縮制動(dòng)器 （2）磁致伸縮逆效應(yīng)(Villari效應(yīng)) 制作磁致伸縮傳感器 （3）E效應(yīng)：磁致伸縮材料由于磁化狀態(tài)的改變而引起自身?xiàng)钍夏Ａ堪l(fā)生變化的現(xiàn)象，可用于聲延遲線。 （4）魏德曼效應(yīng)(Viedemann效應(yīng))：在磁性體上形成適當(dāng)?shù)拇怕?，?dāng)有電流通過時(shí)，磁性體發(fā)生扭曲變形的現(xiàn)象，可用于扭轉(zhuǎn)馬達(dá)。 （5）魏德曼逆效應(yīng)(Anti-Viedeman效應(yīng))：使圓管狀磁致伸縮材料沿管軸發(fā)生周向扭曲，同時(shí)沿軸向施加交變磁場，則沿圓周

11、出現(xiàn)交變磁化的現(xiàn)象，可用于扭轉(zhuǎn)傳感器。,二、聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,1、聲納系統(tǒng) 電磁波常被用于通訊和探測等方面。但在水下它因衰減過快而無法利用，于是人們利用聲波及超聲波訊號(hào)來進(jìn)行水下通訊、探測、遙控等工作，聲納就成為潛艇的口、眼。早先采用的都是壓電材料，但它們有以下缺點(diǎn)：(1)機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)低，輸出功率低；(2)響應(yīng)頻率高，信號(hào)在水下衰減快、傳輸距離?。?3)在數(shù)千伏的高壓下工作，安全性差。,自從大應(yīng)變和低響應(yīng)頻率的REFe2壓磁材料出現(xiàn)以來，聲納性能大大改善，海底探測距離已達(dá)到數(shù)千公里。,應(yīng)用領(lǐng)域：海底通訊、海底測繪、海洋捕撈、礦藏勘探、油井測探、超聲鄰近傳感器、超聲焊接、超聲無損探傷、超聲全息攝像

12、、超聲體外排石等等。,2、聲延遲線 REFe2等化合物的彈性模量E隨磁場的改變變化極大，由于E的變化，聲速也隨磁場發(fā)生顯著改變。利用這種效應(yīng)，美國人Arthur.E.Clark研制成可變延遲線。,三、伺服領(lǐng)域的應(yīng)用,*伺服機(jī)構(gòu)是將電信號(hào)及磁信號(hào)等的能量變換為機(jī)械能的機(jī)構(gòu)。 *利用REFe2材料的低場大應(yīng)變、大輸出應(yīng)力、高響應(yīng)速度且無反沖的特征，可以制成結(jié)構(gòu)簡單的微位移致動(dòng)器，廣泛用于超精密定位、激光微加工、精密流量控制、原子力顯微鏡、數(shù)控車床、機(jī)器人和閥門控制等方面。,三、力學(xué)傳感領(lǐng)域,1、靜應(yīng)力傳感領(lǐng)域 利用應(yīng)變導(dǎo)致磁特性的變化從而輸出電壓發(fā)生變化的現(xiàn)象，用于磁應(yīng)變傳感器檢測料斗的料位。把測力器放在料斗支持部位，與負(fù)載成比例的輸出電壓