电子材料学：磁致伸缩效应、材料及应用

磁致伸缩效应、材料及应用

MagnetostrictiveEffect,MaterialsandTheirApplications提纲什么是磁致伸缩效应什么是饱和磁致伸缩量？磁致伸缩效应的来源是什么？磁致伸缩效应对磁性材料性能的影响如何？常见的磁致伸缩材料；几个工程应用实例；磁致伸缩的历史1842年最先被JamesPrescottJoule发现；最先在第二次世界大战中使用(sonar)；By1980’s，在商业中开始获得应用；JamesPrescottJoule基本概念什么是自发磁致伸缩效应？什么是饱和磁致伸缩系数？？？？纵向磁致伸缩：沿外加磁场方向尺寸的相对变化(

l/l);横向磁致伸缩；垂直于外加磁场方向上的尺寸的相对变化(

l/l);体积磁致伸缩:磁化时材料体积的相对变化(

v/v);统称”线性磁致伸缩”剪切模式磁致伸缩材料的基本特点能将磁能转换成机械能；施加磁场后材料发生形变；内部引力能使材料形状发生改变，形变量可通过外加磁场大小控制；磁化过程与磁致伸缩效应Fe体积磁致伸缩只在很大磁场处的顺磁磁化过程才有较大的数值！磁致伸缩曲线相对于纵轴对称！磁致伸缩

与外加磁场H间的关系磁致伸缩效应的来源自旋与轨道耦合作用产生的；是系统能量最小化的必然结果：磁致伸缩导致的形变是使形变后的铁磁晶体达到总自由能等于极小值的结果；

晶格某一铁磁性物质的交换积分A位于上图的B出附近。当它由居里点以上温度冷却到居里点以下时，交换作用使两原子所受的力为：该力为排斥力，将使两原子的间距变大，铁磁体将发生膨胀该现象为自发磁致伸缩效应，是各向同性的，表现为体积的变化！单畴区域的磁致伸缩效应T>TcT<TcMs在T<Tc时，由于自发磁化而具有一定的退磁能：为了降低这个退磁能，球的体积要减小，同时在自发磁化方向上要伸长而变为椭球形状，以便减少退磁因子N，从而使单畴区域的形状也发生变化。多磁畴多晶材料由许多这样的单畴区域组成，Ms的取向是多个的，从而在宏观上表现出体积的变化是各向同性的，如前所示L0L’HH=0,Ms=0H

0,Ms

0多畴结构的磁致伸缩效应磁弹性能的计算

-为磁化强度的方向余弦磁致伸缩的计算磁致伸缩效应大小随温度的变化TypesofMagnetostrictiveMaterialsTERFENOL-D(TbDyFe)Developed25yearsagobyU.S.Navy(A.E.Clark)WidetemperaturerangeHighstrainUnlimitedcyclelifewithmicrosecondresponsetimeTERFENOL-DActuatorsMagnetostrictiveActuatorSchematicEtremaTERFENOL-DActuatorTc<285K!dTc/dB

5k/TeslaTurningatableintoaloudspeaker拖拽声纳Invar合金(低膨胀合金)

32Ni-64Fe-4Co1896年，瑞士籍法国物理学家

纪尧姆（C.E.Guialme）发现该成分的合金具有的这一特性：在常温下（-80~230℃）内表现出很小的热膨胀系数（=1.6×10-6/℃

）。Guilaume由于该发现荣获1920年的诺贝尔物理奖。对比：金属铜在200C测得的热膨胀系数为17.5×10-6/℃

；当固体受热，固体的线度伸长，称为热膨胀。一般说来，固体受热膨胀是一种普遍的现象。要使固体的热膨胀系数在一定温度范围内减少，甚至趋近于零或变为负值（热收缩），即要产生Invar效应，就必须利用固体的另一种与热膨胀相反的热收缩效应。一般利用的热收缩效应是固体的磁效应，即体积磁致伸缩效应（见磁致伸缩），这就是当磁性材料在磁转变温度(居里点或奈耳点)以下从磁无序状态转变为磁有序（铁磁性、亚铁磁性或反铁磁性）状态时，其体积会随着磁有序程度的增加而增大的效应（一种热收缩效应）。Invar合金的应用领域1.早期主要用于制造精密仪器仪表、标准钟的摆杆、摆轮及钟表的游丝；2.在1920年代用Invar代替铂用作于玻璃封接的引丝，显著降低了成本；3.到了1950-1960年代，主要用于电子管、控温用的热双金属片、长度标尺、大地测量基线尺等；4.到了1980-1990年代，广泛用于微波技术、液化气容器、彩电的荫罩、架空电缆芯材、谐振腔、激光准直仪腔体、光刻机主基板等；5.进入21世纪之后，随着航天技术的飞速发展，其应用拓展到航天遥感器、精密激光设备、光学测量系统和波导管结构件、各种显微镜、天文望远镜中大型透镜的支撑系统以及需要安装透镜的各类科学仪器。磁致伸缩液位计的传感器工作时，传感器的电路部分将在波导管内的波导丝上激励出脉冲电流，该电流沿波导丝向下传播时会在波导丝的周围产生脉冲磁场。在传感器测杆外配有一浮子，此浮子可以随液位的变化而上下移动。在浮子内部有一组永磁铁。当脉冲磁场与浮子产生的磁场相遇时，浮子周围的磁场发生改变从而使得