稀土磁致伸缩材料课件

1、 一、概述一、概述 超磁致伸缩材料（超磁致伸缩材料（GMM）是）是19世纪世纪70年代迅速发展起来的新型功能材料，是年代迅速发展起来的新型功能材料，是由焦耳发现的物理现象。由焦耳发现的物理现象。 目前已被视为目前已被视为21世纪提高国家高科技综世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性功能材料。合竞争力的战略性功能材料。GMM器器件的性能已被证明优于压敏陶瓷换能材件的性能已被证明优于压敏陶瓷换能材料，在军民两用高科技领域具有难以估料，在军民两用高科技领域具有难以估量的应用前景。量的应用前景。 优点：优点： GMM在室温下机械能电能转换率高、在室温下机械能电能转换率高、能量密度大、响应速度高、可靠性好

2、、驱能量密度大、响应速度高、可靠性好、驱动方式简单动方式简单 应用：应用： 迄今已有迄今已有1000多种多种GMM器件问世，器件问世，应用面涉及航空航天、国防军工、电子、应用面涉及航空航天、国防军工、电子、机械、石油、纺织、农业等诸多领域，大机械、石油、纺织、农业等诸多领域，大大促进了相关产业的技术进步。例如大功大促进了相关产业的技术进步。例如大功率率GMM换能器用于油井处理，可降低石换能器用于油井处理，可降低石油粘度，改善流动特性，大大提高石油产油粘度，改善流动特性，大大提高石油产 量。量。 RE-GMM 利用磁致伸缩效应可以使磁能转换为机利用磁致伸缩效应可以使磁能转换为机械能，而利用磁致伸

3、缩的逆效应可以使械能，而利用磁致伸缩的逆效应可以使机械能转变为磁能。这种能量转换器件机械能转变为磁能。这种能量转换器件用处很多，但这些村料的磁致伸缩常数用处很多，但这些村料的磁致伸缩常数大约在大约在10-5级，实际应用范围受到一定限级，实际应用范围受到一定限制。制。1963-1965年，发现年，发现Tb，Dy等稀土等稀土类单晶在低温下的磁致伸缩常数高达类单晶在低温下的磁致伸缩常数高达10-3以上，由此开始了稀土类以上，由此开始了稀土类-过渡金属系磁过渡金属系磁致伸缩金属间化台物的开发。致伸缩金属间化台物的开发。 二、磁致伸缩效应及机理二、磁致伸缩效应及机理 定义：定义：铁磁材料和亚铁磁材料，在

4、外磁铁磁材料和亚铁磁材料，在外磁场被磁化时，其长度和体积都要发生变场被磁化时，其长度和体积都要发生变化，而失去外磁场后，又恢复原来长度化，而失去外磁场后，又恢复原来长度或体积，这种现象称为磁致伸缩。或体积，这种现象称为磁致伸缩。1.线磁致伸缩：线磁致伸缩： 当材料在磁化时，伴有晶当材料在磁化时，伴有晶格的自发的晶格变形，即沿着磁化方向生格的自发的晶格变形，即沿着磁化方向生长或缩短，称为线磁致伸缩。变化的数量长或缩短，称为线磁致伸缩。变化的数量级为级为106105.当磁体发生线磁致伸缩当磁体发生线磁致伸缩时，体积几乎不变，而只改变磁体的外形。时，体积几乎不变，而只改变磁体的外形。在磁化未达到饱和

5、状态时，主要是磁体长在磁化未达到饱和状态时，主要是磁体长度变化产生线磁致伸缩。度变化产生线磁致伸缩。ll磁致伸缩值磁致伸缩值 2.体积磁致伸缩：体积磁致伸缩： 当材料在磁化状态改变时，体积发生膨当材料在磁化状态改变时，体积发生膨胀或收缩的现象。饱和磁化以后，主要胀或收缩的现象。饱和磁化以后，主要是体积变化产生体积磁致伸缩。（一般是体积变化产生体积磁致伸缩。（一般磁体中体积磁致伸缩很小，实际用途也磁体中体积磁致伸缩很小，实际用途也很少，在测量和研究中，所以一般磁致很少，在测量和研究中，所以一般磁致伸缩都指的是线磁致伸缩）。伸缩都指的是线磁致伸缩）。 稀土与过渡金属，如稀土与过渡金属，如FeFe，

6、CoCo等的二元或等的二元或三元合金则具有巨大的磁致伸缩值，高三元合金则具有巨大的磁致伸缩值，高于非稀土的近百倍。于非稀土的近百倍。稀土超磁致伸缩材料稀土超磁致伸缩材料RE-GMMRE-GMM 达到达到15002000ppm15002000ppm稀土磁致伸缩材料主要是稀土铁系金稀土磁致伸缩材料主要是稀土铁系金属间化合物，这类材料具有属间化合物，这类材料具有比铁、镍大比铁、镍大得多的磁致伸缩值得多的磁致伸缩值，并且，并且机械响应快机械响应快、功率密度高功率密度高，所以可广泛应用于声纳系，所以可广泛应用于声纳系统、大功率超声器件、精密控制系统、统、大功率超声器件、精密控制系统、各种阀门、驱动器等，

7、是一种具有广阔各种阀门、驱动器等，是一种具有广阔发展前景的稀土功能材料。发展前景的稀土功能材料。正负磁致伸缩：正负磁致伸缩： 当未加外加磁场时，磁畴的磁化方向当未加外加磁场时，磁畴的磁化方向是随机的；加上外磁场后，通过畴壁的运是随机的；加上外磁场后，通过畴壁的运动和磁化方向的转动，最终大量的磁畴的动和磁化方向的转动，最终大量的磁畴的磁化方向将倾向平行于磁场。磁化方向将倾向平行于磁场。如果畴内磁化强度方向是自发形成的长轴，如果畴内磁化强度方向是自发形成的长轴，则材料在外场方向将伸长，这时正磁致伸则材料在外场方向将伸长，这时正磁致伸缩。缩。如果磁化强度方向是自发形变的短轴，则如果磁化强度方向是自发

8、形变的短轴，则材料在外场方向将缩短，这是负磁致伸缩。材料在外场方向将缩短，这是负磁致伸缩。 磁致伸缩常数的测定通常采用应变什来磁致伸缩常数的测定通常采用应变什来进行。进行。 硅钢片用硅钢片用 FeFeSiSi合金的合金的100100 和和111111 与与成分间的关系图如后。成分间的关系图如后。100为正，为正，111为负。为负。随随Si含量的增加，其数值含量的增加，其数值变小。到质量分数变小。到质量分数Si为为6%左右达到零。这一事左右达到零。这一事实对于制作磁致伸缩为零实对于制作磁致伸缩为零的的FeSi磁性材料是致关磁性材料是致关重要的。重要的。磁致伸缩机理磁致伸缩机理 当材料的磁化状态发

9、生改变时，其自身的形当材料的磁化状态发生改变时，其自身的形状和体积要发生变化，以使总能量达到最小。状和体积要发生变化，以使总能量达到最小。磁致伸缩一般起源于下列集中作用：磁致伸缩一般起源于下列集中作用： （1）原子磁矩的存在是产生磁致伸缩效）原子磁矩的存在是产生磁致伸缩效应的基础应的基础 磁致伸缩效应的出现都与材料成分中存磁致伸缩效应的出现都与材料成分中存在着未填满的在着未填满的3d和和4f电子层的过渡族元电子层的过渡族元素和稀土族元素有关。因为只有这些元素和稀土族元素有关。因为只有这些元素才有自旋磁矩和原子磁矩。素才有自旋磁矩和原子磁矩。 特别是稀土元素，由于最外层特别是稀土元素，由于最外层

10、5s和和5p电电子壳层的屏蔽作用，子壳层的屏蔽作用，4f电子的运动受周电子的运动受周围离子的影响很小，因此具有较高的有围离子的影响很小，因此具有较高的有效磁矩。效磁矩。 对于对于Fe族过渡族元素，未填满的族过渡族元素，未填满的3d电子电子壳层的电子处于所有电子壳层的外围，壳层的电子处于所有电子壳层的外围，其运动很容易受周围离子产生的强电场其运动很容易受周围离子产生的强电场的影响，其轨道运动往往受到破坏，以的影响，其轨道运动往往受到破坏，以致它们对轨道磁矩的贡献很小甚至没有，致它们对轨道磁矩的贡献很小甚至没有，电子自旋的贡献是原子磁矩的主要组成电子自旋的贡献是原子磁矩的主要组成部分。部分。 所以

11、所以4f电子对原子磁矩的贡献大于电子对原子磁矩的贡献大于3d电电子的贡献，稀土元素的原子磁矩大于子的贡献，稀土元素的原子磁矩大于Fe族过渡族元素。族过渡族元素。 （2）自发磁化是磁致伸缩效应产生的必）自发磁化是磁致伸缩效应产生的必要条件要条件 金属中的电子不仅和晶格中的离子有交金属中的电子不仅和晶格中的离子有交互作用，而且电子与电子之间也具有很互作用，而且电子与电子之间也具有很强的交换作用。在磁畴的范围内，为了强的交换作用。在磁畴的范围内，为了满足能量达到最低，以致可以使电子自满足能量达到最低，以致可以使电子自旋平行排列成为可能。旋平行排列成为可能。 就是因为同向排列的电子自旋磁矩的作就是因为

12、同向排列的电子自旋磁矩的作用，才导致了磁畴的自发磁化，并达到用，才导致了磁畴的自发磁化，并达到磁饱和。磁饱和。 3d金属中的自发磁化来源于相邻原子的金属中的自发磁化来源于相邻原子的3d电子存在的交换作用；稀土金属的自电子存在的交换作用；稀土金属的自发磁化来源于局域化的发磁化来源于局域化的4f电子和巡游电子和巡游6s电子发生的交换作用，这种交换作用使电子发生的交换作用，这种交换作用使6s电子自旋发生极化，而极化了的电子自旋发生极化，而极化了的6s电电子自旋又使子自旋又使4f电子自旋和相邻原子的电子自旋和相邻原子的4f电子自旋间接地耦合在一起，从而产生电子自旋间接地耦合在一起，从而产生自发磁化，这

13、就是所谓的简介交换作用自发磁化，这就是所谓的简介交换作用（RKKY）理论。）理论。 RE-GMM拥有大的拥有大的磁致伸缩系数：磁致伸缩系数： 稀土离子的稀土离子的4f电子轨道具有强烈的电子轨道具有强烈的各向异性，当自发磁化后，各向异性，当自发磁化后，4f层电子云层电子云会在某一个或几个特定的方向能量达到会在某一个或几个特定的方向能量达到最低，从而引起晶格沿着这几个特定的最低，从而引起晶格沿着这几个特定的方向产生较大的畸变，这样当施加外磁方向产生较大的畸变，这样当施加外磁场时就产生了大的磁致伸缩。场时就产生了大的磁致伸缩。三、稀土超磁致伸缩材料三、稀土超磁致伸缩材料REFe2的的结构结构 REF

14、2结晶为结晶为Laves相化合物，相化合物，具有立方具有立方MgCu2型晶体结构。型晶体结构。RE占据占据Mg的的位置，位置，Fe原子占原子占据据Cu的位置。的位置。 在同一晶胞中，稀土原子的自旋磁矩与相邻的在同一晶胞中，稀土原子的自旋磁矩与相邻的稀土原子平行而与相邻的铁原子的自旋磁矩反稀土原子平行而与相邻的铁原子的自旋磁矩反平行。切铁亚晶格的各项异性比稀土亚晶格的平行。切铁亚晶格的各项异性比稀土亚晶格的各项异性小很多，因而常把它忽略或作为微扰各项异性小很多，因而常把它忽略或作为微扰来处理。来处理。 因此，稀土因此，稀土-铁化合物在室温下的大磁致伸缩铁化合物在室温下的大磁致伸缩和磁晶各项异性都

15、来源于稀土原子。和磁晶各项异性都来源于稀土原子。 稀土原子复杂的稀土原子复杂的4f电子自旋结构及其较大的自电子自旋结构及其较大的自旋轨道（旋轨道（9-10s）和巨大的磁晶各项异性，这）和巨大的磁晶各项异性，这正是产生大磁致伸缩的内禀条件。正是产生大磁致伸缩的内禀条件。四、稀土超磁致伸缩材料四、稀土超磁致伸缩材料性能的技术参数性能的技术参数1.磁致伸缩系数磁致伸缩系数d 磁致伸缩系数是指磁致伸缩磁致伸缩系数是指磁致伸缩随磁场随磁场H的变化的变化率，常用率，常用d表示，有事表示为表示，有事表示为d33，即，即d33=（d /dH）(为沿取向晶棒轴向附加的压应力为沿取向晶棒轴向附加的压应力)。它。它

16、是描述材料对磁场变化敏感性强弱的参数，其值是描述材料对磁场变化敏感性强弱的参数，其值与材料成分有关。与材料成分有关。 2.磁机耦合系数磁机耦合系数K 磁机耦合系数磁机耦合系数K是换能器的一个重要参是换能器的一个重要参数，它表征磁能数，它表征磁能Em和弹性能和弹性能Ee之间的之间的转换效率。转换效率。 大尺寸高性能磁致伸缩棒材可实现将大大尺寸高性能磁致伸缩棒材可实现将大量磁能转换成机械能。量磁能转换成机械能。)1 (22KEKEme 3.磁晶各项异性常数磁晶各项异性常数K1 磁晶各项异性反映磁性体的磁性与结晶轴有关磁晶各项异性反映磁性体的磁性与结晶轴有关的磁性能。即沿铁磁材料不同晶体轴方向自发的

17、磁性能。即沿铁磁材料不同晶体轴方向自发磁化的内能不同，当外磁场不存在时，自发此磁化的内能不同，当外磁场不存在时，自发此话沿内能最低的晶体轴方向磁化。话沿内能最低的晶体轴方向磁化。 通常这个方向成为易磁化轴，内能最大的方向通常这个方向成为易磁化轴，内能最大的方向为难磁化轴。磁性体与这一部分与磁化方向有为难磁化轴。磁性体与这一部分与磁化方向有关的自由能就是磁晶各项异性。关的自由能就是磁晶各项异性。 根据磁体的对称性，可将磁晶各项异性用磁性根据磁体的对称性，可将磁晶各项异性用磁性体磁化矢量的房型余弦简明的表示出来。体磁化矢量的房型余弦简明的表示出来。 实用的磁致伸缩材料必须具备的条件：实用的磁致伸缩

18、材料必须具备的条件： （1）材料的饱和磁致伸缩系数）材料的饱和磁致伸缩系数s尽可能尽可能的大。的大。 （2）材料的磁晶各向异性能）材料的磁晶各向异性能K1应足够应足够的的 大。大。 没有足够大的没有足够大的K1,就不可能有大的磁致伸就不可能有大的磁致伸缩，但是缩，但是K1也不能太大。过大的也不能太大。过大的K1将使将使磁矩转动所需的磁场过大，无法在较低磁矩转动所需的磁场过大，无法在较低的磁场下得到较大的磁致伸缩，即的磁场下得到较大的磁致伸缩，即s/K1要大，而矫顽力要低。要大，而矫顽力要低。 （3）居里温度）居里温度Tc应尽可能地高，至少要应尽可能地高，至少要高于使用时的环境温度。高于使用时的环境温度。五、磁致伸缩材料的应用五、磁致伸缩材料的应用Terfenol-D，Galfenol和和FSMAB的研