第7章2磁致伸缩材料课件

7.2磁致伸缩材料磁致伸缩效应及机理在3.1节中已经详细地介绍，本节主要介绍磁致伸缩材料及相关应用： 7.2.1 磁致伸缩材料概述 7.2.2 超磁致伸缩材料 7.2.3 超磁致伸缩的产生机理 7.2.4 超磁致伸缩合金的制备 7.2.5 超磁致伸缩材料的应用磁性材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩磁致伸缩有三种表现：☞沿着外磁场方向尺寸的相对变化称为纵向磁致伸缩；☞垂直于外磁场方向尺寸的相对变化称为横向磁致伸缩；☞磁体体积的相对变化称为体积磁致伸缩。磁致伸缩

S磁致伸缩系数：磁致伸缩的大小与外磁场强度有关饱和磁致伸缩系数

S

S>0：正磁致伸缩，如铁

S<0：负磁致伸缩，如镍磁致伸缩系数外加磁场后，磁偶极子趋于同向排列。与（a）图相比，（b）图处于低能状态，更加稳定于是，由（a）态变为（b）态，产生了磁致伸缩效应磁致伸缩产生的机制未加磁场时，磁畴随机取向，不显示宏观磁性从磁致伸缩到超磁致伸缩Ni，坡莫合金，铁氧体等磁致伸缩材料可作成音响变振因子等器件，但磁致伸缩常数仅为10-5量级在这些领域，以PZT为代表的电致伸缩材料因其响应性好，伸缩量大等优点占据着主导地位。20世纪70年代，成功开发出磁致伸缩常数达10-3量级的TbFe2磁致伸缩效应材料，称这种现象为超磁致伸缩效应随后又开发出三元稀土化合物TbDyFe系列，其具有磁致伸缩值高、居里温度高、磁晶各向异性能小等优点重要物质的磁致伸缩常数材料磁致伸缩常数材料磁致伸缩常数金属合金系Fe9

10

6稀土化合物系TbFe21.753

10

3Co

60

10

6Tb-30%Fe1.590

10

3Ni

40

10

6SmFe2

1.560

10

3Co-40Fe70

10

6Tb(CoFe)21.487

10

3Fe-13Al40

10

6Tb(NiFe)21.151

10

3铁氧体系Fe3O460

10

6TbFe36.93

10

4CoFe2O4

110

10

6DyFe24.33

10

4NiFe2O4

26

10

6Pr2Co173.36

10

4vibrocs

28

10

6a-TbFe2（a表示非晶态）3.08

10

47.2.2超磁致伸缩材料到目前为止，已发现的超磁致伸缩材料主要有以下几类：（1）稀土金属（2）稀土-过渡金属间化合物

（3）非晶薄膜合金

（4）稀土氧化物

（5）锕系金属化合物

磁致伸缩量大，但居里温度低解决了稀土距离温度低的问题优良的软磁性，低磁场下磁致伸缩性能优良在低温下，有很大的磁致伸缩在低温下，有很大的磁致伸缩，但居里温度低稀土-过渡金属系超磁致伸缩合金稀土-过渡金属系是最有前途的超磁致伸缩合金，其中REFe2系化合物磁致伸缩应变大，居里温度高，是最主要的合金系；但是REFe2合金的磁晶各向异性能很高，使用时需要强磁场及大型电磁铁，因此实际应用存在一定的困难。REFe2的各向异性常数有正有负，于是利用符号相反的REFe2相互补偿，可以获取较低磁晶各向异性能的磁致伸缩材料目前为止，有最佳磁致伸缩特性和实用价值的是被称为Terfenol-D的Tb-Dy-Fe系合金合金参数TbFe2DyFe2HoFe2λS＋＋＋K1－＋＋K2＋－－性能优异的Terfenol.D材料材料名称密度/(103kg.m-3)弹性模量/（1010N.m）声速/(m.s-1)居里温度/℃磁（电）致伸缩/10-6机电耦合因子/K33磁导率/

能量密度/（J.m-3）Terfenol.D9.252.6516903871500~20000.729.314000~25000纯镍（>98%）8.9020.64900354330.16~0.25压电陶瓷1号5.611.34150125800.451300960压电陶瓷2号7.51131003004000.681300960机电耦合系数k33：它是表征磁致伸缩材料或器件把电磁能转换成机械贮存能的效率的量度

7.2.3超磁致伸缩机制磁致伸缩量稀土元素的磁性来自4f电子，4f电子在图中的点影范围内运动外加磁场时，电子云状态发生变化，致使四面体之间的引力发生变化，导致超磁致伸缩4f电子云磁致伸缩后的变形原始晶胞磁致伸缩后的晶胞<111>方向RFe2晶胞发生<111>方向磁致伸缩后的变形7.2.4超磁致伸缩合金的制备合金棒材制备的主要方法①压力差法②合金熔体顺序凝固法定向晶及单晶制备的主要方法①Bridgman法②区熔法③提拉法粉末冶金方法制备（1）合金粉末直接烧结法（2）磁场热处理烧结法（3）其他粉末冶金方法该方法的优点是可制备复杂形状和各种尺寸的产品，缺点是由于显微组织不理想而导致磁致伸缩性能稍差7.2.5磁致伸缩材料的应用磁致伸缩材料的应用基础Joule效应：磁性体被外加磁场磁化时，其长度发生变化，可用来制作磁致伸缩制动器。Villari效应：形状的变化引起磁性体磁化强度发生变化，即逆磁致伸缩现象，可用于制作磁致伸缩传感器。dE效应：杨氏模量随磁场变化而变化，可用于声延迟线。Viedemann效应：在磁性体上形成适当的磁路，当有电流通过时，磁性体发生扭曲变形，可用于扭转马达。Anti-Viedemann效应：使磁性体发生机械扭曲，且在二次线圈中产生电流可用于扭转传感器。Jump效应：系超磁致伸缩材料，外加预应力时，磁致伸缩随外场而