超磁致伸缩材料性能测量实验_陈宜保 (1)

第28卷　第12期
2008年12月
物　理　实　验　P H YSICS EXPERIM EN TA TION
Vol.28　No.12
　Dec.,2008
　“第五届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文
　收稿日期:2008208219;修改日期:2008210217　资助项目:清华大学实验室创新基金资助(No.110008011)　作者简介:陈宜保(1973-),男,湖北宜昌人,清华大学物理系工程师,硕士,目前从事过渡金属硅化物和碳化物薄膜的
制备与分析工作.
超磁致伸缩材料性能测量实验
陈宜保,王文翰,杨　翔,何元金,王合英,孙文博
(清华大学物理系,北京100084)
摘　要:采用比较法和电桥法测量了Terfenol 2D 样品的磁致伸缩系数,并采用共振法测量了Terfenol 2D 样品的磁机械耦合系数.将超磁致伸缩材料特性测量实验引入本科实验教学,可以使学生在近代物理实验课程的学习中接触到材料科学研究前沿领域的技术与知识,有助于提高学生的创新意识和创新能力,激发学生的学习兴趣.
关键词:超磁致伸缩材料;磁致伸缩系数;磁机械耦合系数
中图分类号:O493.4 文献标识码:A 文章编号:100524642(2008)1220013203
1　引　言
超磁致伸缩材料是一种新型稀土磁性功能材
料,在工业、军事、航空航天甚至日常生活中都有很重要的应用,世界各主要磁学实验室都在对这种材料的制备和特性进行着广泛的研究,目前一种品牌号为Terfenol 2D (Tb 0.27Dy 0.73Fe 1.9)的材料已经可以批量生产,其常温下应变量可以达到2000～2400微应变[127].为了有效地利用超磁致伸缩材料的特性,对其各项特性参数的精确测量便是该研究领域一个极其重要的方面.
作为实验物理教学中兼顾近代物理理论与现代高新技术基础相融合的近代物理实验课程,在教学中应强调物理思想与新技术、新方法的结合,重视学生创新能力的培养和发挥.因此,在实验内容安排上,除了一些经典的近代物理实验内容外,还应不断关注和物理学相关研究的前沿领域,及时将一些和物理学密切相关的实验内容和方法引入到教学之中,让实验内容和实验技术反映科学技术的发展与进步,拓展学生的视野,增强对学生实验素质和技能的培养.
稀土超磁致伸缩材料性能测量实验采用共振法测量Terfenol 2D 的纵向伸缩磁机械耦合系数以及采用比较法和电桥法测量材料的磁致伸缩系数.该实验系统搭建比较简单,原理容易理解,实验装置稳定性好,数据可重复性高,教学效果良
好,是很好的近代物理实验教学内容.
2　实验原理
该实验主要测量Terfenol 2D 的磁致伸缩系数和纵向伸缩磁机械耦合系数,这是磁致伸缩材料的2个重要的性能参数.磁致伸缩系数反映的是材料在磁场作用下长度和体积变化,本实验主要测量Terfenol 2D 的线磁致伸缩,其磁致伸缩系数常用应变λ=Δl/l 0表示,如图1所示,其中l 0为材料的长度,Δl 为材料长度方向上的伸长量
.
图1　铁磁体的线磁致伸缩示意图
实验系统中采用电阻应变法测量磁致伸缩系
数.将电阻应变片直接粘贴到样品表面,电阻应变片是一种将应变变化转变为电阻变化的传感器,当样品在磁场中发生应变时,贴在样品表面的应变片随之发生应变,引起应变片的电阻变化,通过测量电阻的变化即可得到材料的应变量.应变片电阻变化为
ΔR R
=ηΔl
l 0
=η
λ,(1)
式中R为应变片的电阻值,η为应变片的灵敏系数[2].
磁机械耦合系数是磁致伸缩材料的一个动态性能参数,它的定义是输出机械能和输入磁场能的比值:
k33=U em2mech
U em U mech
,(2)
其中,U em为电磁场能,U mech为机械能,U em2mech为磁机械能,也称磁弹性能.
本实验采用共振法测量磁机械耦合系数.通过测量样品的阻抗频率曲线,利用共振频率和反共振频率可以得到样品的磁机械耦合系数,其数学表达式为
k33=π2
8
1-
f2r
f2a
,(3)
其中f r为共振频率,f a为反共振频率[8].
3　实验装置和内容
采用比较法和电桥法[2,9]测量磁致伸缩系数,实验装置如图2所示.
比较法的测量原理如图2(a)所示,通过切换图2　磁致伸缩系数测量原理图开关分别测量应变片和标准电阻上的电压,在电压表内阻很大,忽略电源内阻的情况下,有
R x=
V x
V n
R n.(4)利用(4)式便可得到应变片的电阻值,改变外磁场,利用ΔR=R x-R0可以得到应变片的电阻变化,其中R0为未加磁场时应变片的电阻值.根据(1)式可以得到样品的磁致伸缩系数.
利用比较法测量的好处在于电路简单,易于操作,但是在测微小电阻变化时对数字电压表的精度提出较高的要求,但随着现代数字技术的发展,高精度的数字电压表已经完全可以满足需要.
惠斯通电桥是精确测定电阻非常常用的实验方法,本实验中电桥法测量原理如图2(b)所示,应变片粘贴在样品表面,R2为相同的应变片,一般将其粘贴在和样品形状相同的非磁性材料表面,和样品并排放在磁场中,r为并联在R2上的可调电位器,用以调节电桥平衡,R3和R4也是相同型号的应变片.根据电桥理论,通过灵敏电流计的电流为
I g=U(R x R3-R2R4)[R g(R x+R2)(R3+R4)+
R x R2(R3+R4)+R3R4(R x+R2)]-1.(5)
样品磁化时由于磁致伸缩使得R x增大ΔR,变为R+ΔR,且考虑到ΔR较小,可以得到:
I g=
U
4(R g+R)
ΔR
R
.(6)当采用高灵敏度数字电压表时,由于内阻非常大,R gµR,桥路检测电压表两端电压V为
V=
U
4
ΔR
R
.(7)根据(1)式得到磁致伸缩系数为
λ=4
η
V
U
.(8)使用电桥法测量磁致伸缩系数的难度在于电桥平衡的调节.本实验使用浙江黄岩测试仪器厂生产的BX12023AA型电阻应变片,其阻值为(119.8±0.1)Ω,灵敏系数为2.08±0.02,实验样品为<10mm×50mm的棒状Terfenol2D (Tb0.27Dy0.73Fe1.9)材料.利用比较法和电桥法测量得到的结果如图3所示.从实验结果看,2种方法测量得到的数据符合得很好.
共振法测量磁机械耦合系数的实验装置见图4所示.样品上缠绕约200匝的线圈,使用锁相放大器的振荡输出作为振荡功率源,输出端串联
41 物　理　实　验第28卷
10k Ω左右的大阻值电阻,以保证线路中电流恒
定,输出电压为1V ,通过锁相放大器测量线圈两
端的电压即可确定线圈的阻抗.锁相振荡输出信号为
v out =V m cos (2
πf t ).(9
)线圈阻抗记为Z =r +j s =|Z |e jarctan
s r
,锁
相测量得到线圈电压信号的X 和Y 分量分别为:
X =
V m R r ,Y =V m
R
s ,测量过程中,改变锁相振荡输出的频率,根据测量得到的X Y 分量即可得到线圈的阻抗频率曲线,通过阻抗频率曲线找到共振频率和反共振频率,即可得到样品在对应外磁场下的磁机械耦合系数[2,10].表1和图5是在不同磁场下样品的磁机械耦合系数数据和相应的阻抗频率曲线.
表1　不同磁场下超磁致伸缩材料的磁机械耦合系数
B/m T
k 33
B/mT
k 33
47.80.477244.50.34281.90.415325.40.276128.90.394382.80.254199.5
0.373
447.6
0.219
图5　不同磁场下超磁致伸缩材料的阻抗频率曲线
4　结束语
超磁致伸缩材料是一种新兴的功能材料,各
类特性参数的测量是其应用研究的重要基础,将这一新兴材料的特性研究实验引入近代物理实验教学内容,也让学生了解到一些传统的实验技术手段在现代科学研究领域中的应用,有利于更进一步培养学生的基本实验技能,加深学生对实验研究在科学研究领域中重要作用的认识和理解.同时也使得学生在实验课程的学习中接触到材料科学研究前沿领域的知识与技术,有助于提高学生的创新意识和创新能力,激发学生对物理实验的学习热情和兴趣.
致谢:感谢清华大学普通物理实验室朱鹤年老师、常缨老师提供支持与帮助,感谢清华大学实验室与设备处提供基金支持,感谢北京有研稀土材料股份公司提供Terfenol 2D 样品.
参考文献:
[1]　Clark A E.Magnetoristrictive rare earth 2Fe 2com 2
pounds [A ].Wohlfarth E P.Ferromagnetic Mate 2rials Vol 1[C ].Amsterdam :North 2Holland Pub 2lishing Company ,1980:5312598.
[2]　王博文.超磁致伸缩材料制备与器件设计[M ].北
京:冶金工业出版社,2003:1122131.
[3]　Dhilsha K R ,Rama Rao K V S.Investigation of
magnetic ,magnetomechanical ,and electrical prop 2erties of the Tb 0.27Dy 0.73Fe 2-x Co x system [J ].J.Appl.Phys.,1993,73(3):138021385.
[4]　Dong S X ,Li J F ,Viehland D.A longitudinal 2lon 2
gitudinal mode Terfenol 2D/PMN 2PT laminate com 2posite [J ].Appl.Phys.Lett.,2004,85:530525306.
(下转第20页)
5
1第12期 陈宜保,等:超磁致伸缩材料性能测量实验
Single2w alled carbon nanotubes modif ied by
organics of the phthalocyanine category
XU Zhong2hui,WAN G Feng
(Information Engineering College,Jiangxi University of Science and T echnology,G anzhou341000,China)
Abstract:The single2walled carbon nanot ubes are modified using p henoxy p ht halocyanine and characterized using transmission elect ron micro scope(TEM),UV2vis absorptive spectra,fluorescent spect ra and Raman spect ra.TEM images show t hat t he compo site looks like sugarcoated haws.The absorptive spect ral intensity and t he intensity of t he peaks in t he fluorescent spect ra drop s remarkably after absorptio n,which shows t hat t he single2walled carbon nanot ubes have absorbed a large amount of p henoxy p ht halocyanines.Raman analysis revealed t hat after absorption,t he po sition of t he main peaks of t he single2walled carbon nanot ubes shifted to longer wavelengt hs,caused by changes of t he state of t he single2walled carbo n nanot ubes before and after absorption.
K ey w ords:single2walled carbo n nanot ubes;chemical modification;p henoxy p ht halocyanine;flu2 orescence;Raman spect ra
[责任编辑:任德香]
(上接第15页)
[5]　Ashley S.Magnetostrictive actuator[J].Mechani2
cal Engineering,1998,120(6):68270.
[6]　Joshi C pact magnetostrictive actuators and
linear motor[A].Proceedings of Actuator2000,
7th Conference on New Actuator[C].Bremen,
2000:1202125.
[7]　Quandt E,Claeyssen F.Magnetostrictive actuators
and linear motor[A].Proceedings of Actuator
2000,7th Conference on New Actuator[C].Bre2
men,2000:1022105.
[8]　Savage H T,Clark A E,Powers J M.Magnetome2
chanical coupling andΔE effect in highly magnetos2 trictive rare earth2Fe2compouds[J].IEEE Trans.
Magn.,1975,11(5):135521358.
[9]　倪嘉缵,洪广言.稀土新材料及新流程进展[M].
北京:科学出版社,1998:2002293.
[10]　王博文,张智祥,翁玲,等.巨磁致伸缩材料机械耦
合系数的测量[J].河北工业大学学报,2002,31
(4):124.
Measuring characteristics of giant m agnetostrictive m aterial
C H EN Y i2bao,WAN G Wen2han,YAN G Xiang,
H E Yuan2jin,WAN G He2ying,SUN Wen2bo
(Depart ment of Physics,Tsinghua U niversity,Beijing100084,China)
Abstract:The magnetost rictive coefficient of Terfenol2D sample is measured by using comparison met hod and bridge met hod,and t he magnetomechanical coupling coefficient of Terfenol2D sample is measured by using resonance met hod.The experiment on t he t he measurement of characteristics of gi2 ant magnetostrictive material has been p rovided in t he class of advanced p hysics experiment s for t he undergraduates,in order to make st udent s know of t he t rends of materials science and research,and to arouse t he st udent s’creative ideas and interest s.
K ey w ords:gaint magnetost rictive material;magnetost rictive coefficient;magnetomechanical cou2 pling coefficient
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