6磁性材料-第六章

1、第六章第六章 磁致伸縮材料磁致伸縮材料*定義：定義：磁性材料由磁性材料由于磁于磁化狀態(tài)的改變，其長度化狀態(tài)的改變，其長度和和體積都要體積都要發(fā)生微小的變化發(fā)生微小的變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。 = L/L為磁致伸縮系數(shù)。為磁致伸縮系數(shù)。6.1 磁致伸縮材料概述磁致伸縮材料概述*發(fā)展史：發(fā)展史：*大部分材料的大部分材料的 只有只有10-6數(shù)量級，一直難以實用化。數(shù)量級，一直難以實用化。*1940年，年，Ni和和Co的多晶材料出現(xiàn)后，磁致伸縮材料才得的多晶材料出現(xiàn)后，磁致伸縮材料才得到實出化到實出化。Ni： =4010-6*1950年，發(fā)現(xiàn)了年，發(fā)現(xiàn)了Alfer Fe-13A

2、1合金，它的磁致伸縮值達合金，它的磁致伸縮值達到到110-4*20世紀(jì)世紀(jì)60年代，年代，Clark等致等致力于稀土類磁致伸縮材料的研力于稀土類磁致伸縮材料的研究。究。發(fā)現(xiàn)具有發(fā)現(xiàn)具有立方立方Laves相結(jié)構(gòu)的相結(jié)構(gòu)的TbFe2，DyFe2等二元稀等二元稀土鐵化合物，其室溫下的土鐵化合物，其室溫下的 值達值達260010-6以上。該類材料以上。該類材料的的 值比傳統(tǒng)材料要大上百倍，因此稱為超磁值比傳統(tǒng)材料要大上百倍，因此稱為超磁致伸縮材料致伸縮材料。*1974年，年，Clark等人成功地發(fā)現(xiàn)了三元稀土過渡族金屬等人成功地發(fā)現(xiàn)了三元稀土過渡族金屬間間化合物化合物Tb0.27Dy0.73Fe2合金

3、，它具有磁致伸縮值高、居里溫合金，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)點度高、磁晶各向異性能小等優(yōu)點。*從實用角度來看，磁致伸縮材料應(yīng)具備以下特性從實用角度來看，磁致伸縮材料應(yīng)具備以下特性：(1)變位變位量及產(chǎn)生的應(yīng)力要大；量及產(chǎn)生的應(yīng)力要大；(2)響應(yīng)速度快；響應(yīng)速度快；(3)軟磁性；軟磁性；(4)可在低磁場下驅(qū)動可在低磁場下驅(qū)動；(5)居里溫度高；居里溫度高；(6)在使用氣氛中磁致伸縮特在使用氣氛中磁致伸縮特性對溫度的變化不敏感；性對溫度的變化不敏感；(7)高可靠性；高可靠性；(8)環(huán)保性優(yōu)良，兼?zhèn)涫袌龈偁幜?。環(huán)保性優(yōu)良，兼?zhèn)涫袌龈偁幜Α?.2 超磁致伸縮材料超磁致伸縮材料

4、一、一、 超磁致伸縮材料種類超磁致伸縮材料種類（1）稀土金屬）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，在室溫下不能直接應(yīng)用?？s。但稀土金屬的居里溫度較低，在室溫下不能直接應(yīng)用。（2）稀土）稀土-過渡金屬間化合物過渡金屬間化合物稀土稀土-過渡金屬形成的化合物過渡金屬形成的化合物具有具有較高的較高的居里居里溫度溫度。（3）非晶薄膜合金）非晶薄膜合金采用濺射方法制備采用濺射方法制備稀稀土土-過渡過渡金屬金屬非非晶晶薄膜，非晶薄膜具有薄膜，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良好的軟

5、磁性能，其在低磁場下的磁致伸縮顯著提高。（4）稀土氧化物）稀土氧化物一一些稀土氧化物在低溫下具有很大的磁致伸些稀土氧化物在低溫下具有很大的磁致伸縮。縮。如如Tb3Fe5O12在在4.2K時，磁致伸縮時，磁致伸縮( 111)為為246010-6，在，在78K時，為時，為56010-6。（5）錒系金屬化合物）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里溫度只有100K左右，難以在工程中實際應(yīng)用。左右，難以在工程中實際應(yīng)

6、用。二、二、Tb-Dy-Fe超磁致伸縮材料超磁致伸縮材料1、Tb-Dy-Fe系合金的磁致伸縮特性系合金的磁致伸縮特性稀土稀土-過渡金屬系是最具應(yīng)用前景的化合物系過渡金屬系是最具應(yīng)用前景的化合物系。其中，。其中，REFe2系立方系立方Laves相化合物不僅磁致伸縮應(yīng)變大，而且居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。里溫度也較高，是最主要的合金系。缺點：磁晶各向異性能很高，使用時需要強磁場。缺點：磁晶各向異性能很高，使用時需要強磁場。方案：利用各向異性常數(shù)符號相反的不同方案：利用各向異性常數(shù)符號相反的不同ReFe2合金相混合，合金相混合，可獲得較低磁晶各向異性能的磁致伸

7、縮材料?？色@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用價值的是被稱為研究表明：有最佳磁致伸縮特性和實用價值的是被稱為Terfenol-D的的Tb-Dy-Fe系合金。系合金。2、磁致伸縮與合金組成的關(guān)系、磁致伸縮與合金組成的關(guān)系對于對于Tb0.27Dy0.73Fe2-y合金，在合金，在y=0.15和和y=0.025處各出現(xiàn)一處各出現(xiàn)一個磁致伸縮峰值，對于個磁致伸縮峰值，對于TbxDy1-xFe2合金，當(dāng)合金，當(dāng)x=0.7時，磁致時，磁致伸縮也出現(xiàn)一個峰值。對四元系合金，第四組元伸縮也出現(xiàn)一個峰值。對四元系合金，第四組元Mn對合金對合金磁致伸縮性能也有影響，在磁致伸縮

8、性能也有影響，在Mn含量約為含量約為0.125時出現(xiàn)峰值。時出現(xiàn)峰值。3、磁致伸縮與溫度的關(guān)系、磁致伸縮與溫度的關(guān)系 稀土稀土-鐵化合物隨著溫度的改變，會產(chǎn)生自旋再取向，易磁鐵化合物隨著溫度的改變，會產(chǎn)生自旋再取向，易磁化軸方向也會發(fā)生變化?；S方向也會發(fā)生變化。4、磁致伸縮與預(yù)應(yīng)力的關(guān)系、磁致伸縮與預(yù)應(yīng)力的關(guān)系稀土稀土-鐵合金外加預(yù)應(yīng)力時，磁性體會發(fā)生變形，磁化和磁鐵合金外加預(yù)應(yīng)力時，磁性體會發(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，會產(chǎn)生磁致伸縮的躍變效磁致伸縮特性。在磁場作用下，會產(chǎn)生

9、磁致伸縮的躍變效應(yīng)。機理：無外場時，磁疇在外壓力作用下沿應(yīng)。機理：無外場時，磁疇在外壓力作用下沿優(yōu)先排優(yōu)先排列，有外場時，磁疇發(fā)生大部分的突然轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生強制的列，有外場時，磁疇發(fā)生大部分的突然轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生強制的磁致伸縮躍變。磁致伸縮躍變。6.3 超磁致伸縮的產(chǎn)生機理超磁致伸縮的產(chǎn)生機理*目前目前普遍認(rèn)為，普遍認(rèn)為，超磁致伸縮現(xiàn)象是由超磁致伸縮現(xiàn)象是由于晶體在特定方向的于晶體在特定方向的電子分布受磁場的影響更大所電子分布受磁場的影響更大所致。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

10、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，稀土格小得多，稀土-鐵化合物室溫下的超磁致伸縮和磁各向異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。大的磁各向異性，這正是產(chǎn)生超磁致伸縮的內(nèi)稟條件。*在在Laves相中，不同晶體學(xué)方向原子的排列不同，相中，不同晶體學(xué)方向原子的排列不同，方方向為原子最密排方向。若施加磁場，電子云的空間分布發(fā)向為原子最密排方向。若施加磁場，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)成四面體的原生變化，從

11、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，從而原子間的距離略有縮短。另一方面，子間的引力增強，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。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。與收縮量相比伸長量要大得多，從而產(chǎn)生超磁致伸縮。*在在Laves相化合物中，沿晶體相化合物中，沿晶體方向的磁致伸縮量最大，方向的磁致伸縮量最大，對于實際應(yīng)用來說，對于實際應(yīng)用來說，方向效果最好。方向效果最好。6.4 超磁致伸縮合金的制備超磁致伸縮合金的制備一、合金棒材、定向晶及單晶的制備一、合金棒材、定向晶

12、及單晶的制備1、棒材制備的主要方法、棒材制備的主要方法（1）壓力差法）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)插入可移動的帶石英管的的容器里。容器上部通過密封環(huán)插入可移動的帶石英管的桿。抽真空，熔化合金并保溫一定時間。將石英管插入熔桿。抽真空，熔化合金并保溫一定時間。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。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）合金熔體順序凝固法坩鍋坩鍋底部有一澆注孔。氧化鋁熱電偶保護管從上方插入注底部有一澆注孔。氧化鋁熱

13、電偶保護管從上方插入注孔作為注塞棒?？鬃鳛樽⑷簟［徨佦徨伩紫虏堪惭b鑄模，鑄模底部安裝水冷孔下部安裝鑄模，鑄模底部安裝水冷銅盤。加熱熔化銅盤。加熱熔化坩鍋中坩鍋中的合金并保溫一定時間，然后提起的合金并保溫一定時間，然后提起注塞棒，使合金充滿鑄模并自下而上定向凝固，可制備具注塞棒，使合金充滿鑄模并自下而上定向凝固，可制備具有晶粒取向的合金棒材。有晶粒取向的合金棒材。2、定向晶及單晶制備的主要方法、定向晶及單晶制備的主要方法（1）Bridgman法法將預(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

14、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以形成定向溫度梯度)，進行單向凝固以得到定向晶或單，進行單向凝固以得到定向晶或單晶。晶體取向為晶。晶體取向為方向。方向。（2）區(qū)熔法）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，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)加熱進行區(qū)域熔化，以得到定向晶或單晶。晶然后用感應(yīng)加熱進行區(qū)域熔化，以得到定向晶或單晶。晶體取向為體取向為方向。方向。（3）提拉法）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

15、拉，熔體逐漸弧加熱熔化合金，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。提拉的晶體具有固化而生長出定向晶或單晶。提拉的晶體具有取向。取向。*常用的常用的Terfenol-D合金的產(chǎn)業(yè)化制備方法主要是區(qū)熔技術(shù)合金的產(chǎn)業(yè)化制備方法主要是區(qū)熔技術(shù)和改進的和改進的Bridgman技術(shù)。技術(shù)。二、粉末冶金制備二、粉末冶金制備1、合金粉末直接燒結(jié)法、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

16、粉末裝入橡皮管中，等靜壓成型，壓制出洗并真空干燥后，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。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、磁場熱處理燒結(jié)法在橡皮管兩端加上一個直流磁場，并疊加交流磁場，使粉在橡皮管兩端加上一個直流磁場，并疊加交流磁場，使粉末產(chǎn)生振動，以便更容易使粉末定向。也可將交流磁場換末產(chǎn)生振動，以便更容易使粉末定向。也可將交流磁場換為脈沖磁場。在磁場中機械加壓壓實粉末，然后再燒結(jié)。為脈沖磁場。在磁場中機械加壓壓實粉末，然后再燒結(jié)。得到的樣品具有較高的密度，具有得到的樣品具有較高的密度，具有易磁

17、化軸的取向。易磁化軸的取向。3、其它粉末冶金方法、其它粉末冶金方法用真空感加爐熔煉合金，熔體急冷成小于用真空感加爐熔煉合金，熔體急冷成小于15 m的非晶態(tài)，的非晶態(tài)，再進行晶化熱處理，得到的結(jié)晶態(tài)微粒，然后用粉末燒結(jié)再進行晶化熱處理，得到的結(jié)晶態(tài)微粒，然后用粉末燒結(jié)方法制成樣品。方法制成樣品。6.5 磁致伸縮材料的應(yīng)用磁致伸縮材料的應(yīng)用一、一、磁致伸縮材料的應(yīng)用基礎(chǔ)磁致伸縮材料的應(yīng)用基礎(chǔ)（1）磁致伸縮效應(yīng)）磁致伸縮效應(yīng)(Joule效應(yīng)效應(yīng)) 制作磁致伸縮制動器制作磁致伸縮制動器（2）磁致伸縮逆效應(yīng)）磁致伸縮逆效應(yīng)(Villari效應(yīng)效應(yīng)) 制作磁致伸縮傳感器制作磁致伸縮傳感器（3） E效應(yīng)：效

18、應(yīng)：磁致伸縮材料由于磁化狀態(tài)的改變而引起磁致伸縮材料由于磁化狀態(tài)的改變而引起自身楊氏模量發(fā)生變化的現(xiàn)象，可用于聲延遲線。自身楊氏模量發(fā)生變化的現(xiàn)象，可用于聲延遲線。（4）魏德曼效應(yīng)）魏德曼效應(yīng)(Viedemann效應(yīng)效應(yīng))：在磁性體上形成適當(dāng)：在磁性體上形成適當(dāng)?shù)拇怕?，?dāng)有電流通過時，磁性體發(fā)生扭曲變形的現(xiàn)象，的磁路，當(dāng)有電流通過時，磁性體發(fā)生扭曲變形的現(xiàn)象，可用于扭轉(zhuǎn)馬達?？捎糜谂まD(zhuǎn)馬達。（5）魏德曼逆效應(yīng)）魏德曼逆效應(yīng)(Anti-Viedeman效應(yīng)效應(yīng))：使圓管狀磁致：使圓管狀磁致伸縮材料沿管軸發(fā)生周向扭曲，同時沿軸向施加交變磁場，伸縮材料沿管軸發(fā)生周向扭曲，同時沿軸向施加交變磁場，則沿

19、圓周出現(xiàn)交變磁化的現(xiàn)象，可用于扭轉(zhuǎn)傳感器。則沿圓周出現(xiàn)交變磁化的現(xiàn)象，可用于扭轉(zhuǎn)傳感器。二、聲學(xué)領(lǐng)域二、聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用的應(yīng)用1、聲納系統(tǒng)、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來進行水快而無法利用，于是人們利用聲波及超聲波訊號來進行水下通訊、探測、遙控等工作，聲納就成為潛艇的口、眼。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：早先采用的都是壓電材料，但它們有以下缺點：(1)機電轉(zhuǎn)機電轉(zhuǎn)換系數(shù)低，輸出功率低；換系數(shù)低，輸出功率低；(2)響

20、應(yīng)頻率高，信號在水下衰減響應(yīng)頻率高，信號在水下衰減快、傳輸距離小；快、傳輸距離??；(3)在數(shù)千伏的高壓下工作，安全性差。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，海底探測距離已達到數(shù)千公里。納性能大大改善，海底探測距離已達到數(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、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、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、超聲體外排石等等。超聲全息攝像、超聲體外排石等等。2、聲延遲線、聲延遲線REFe2等化合物的彈性模量等化合物的彈性模量E隨磁場的改變變化極大，由于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)，美國人國人Arthur.E.Clark研制成可變延遲線。研制成可變延遲線。三、伺服領(lǐng)域三、伺服領(lǐng)域的應(yīng)用的應(yīng)用*伺服機構(gòu)是將伺服機構(gòu)是將電信號及磁信號等的能量變換為機械能的機電信號及磁信號等的能量變換為機械能的機構(gòu)。構(gòu)。*