磁致伸缩聚合物及其复合材料研究进展
磁致伸缩材料的研究及应用
磁致伸缩材料的研究及应用磁致伸缩材料是一种可以在磁场作用下产生机械变形的智能材料。
其具有较大的应变及较快的响应速度等特点，在微机电系统、智能结构及磁医学等领域具有广泛的应用前景，因此其研究也备受关注。
一、磁致伸缩材料的发展历程磁致伸缩材料最早可以追溯到1920年代的石英研究。
1936年，日本学者桥本秀夫首次制备了一种新型材料，被称为“Jiles-Atherton效应”，并用于磁控制装置。
20世纪60年代，磁致伸缩材料得到进一步的发展和研究。
在经过多年的努力之后，现今的磁致伸缩材料已经达到了伸缩应变高达1%、响应速度在毫秒级别的水平。
二、磁致伸缩材料的基本原理磁致伸缩材料的基本原理是，当材料处于磁场中时，其晶格结构会发生变化，从而导致材料的形状发生变化。
这种形变可以表现为伸长或缩短，称为磁致伸缩效应。
磁致伸缩材料可分为单晶磁致伸缩材料与多晶磁致伸缩材料两种。
单晶磁致伸缩材料具有单向形变性，对于单向应力或单向磁场作用下，只表现为一个方向的伸长或缩短。
多晶磁致伸缩材料则可以在不同方向上产生不同程度的形变。
三、磁致伸缩材料的应用1. 微机电系统（MEMS）磁致伸缩材料在微机电系统中的应用已经开始取得一定的成果。
其最大的应用是作为驱动器件，用于数字微镜、精密运动控制器等领域。
2. 智能结构磁致伸缩材料作为一种智能材料，可以被应用于各种智能结构中。
例如，可用于便携式电力工具的紧固装置、智能森林高压输电线路的调整系统等。
3. 磁医学磁致伸缩材料在磁医学领域也具有潜在的应用价值。
例如，用于放大磁共振成像（MRI）的灵敏度以及用于制造人工肌肉。
四、磁致伸缩材料的发展与前景磁致伸缩材料所具有的高响应速度、灵敏度、大应变、无需外部电源等特点，使得其在各个领域有广泛的应用前景。
未来，随着科技进步和生产技术的发展，磁致伸缩材料将会在更多领域中得到应用。
同时，更多的磁致伸缩材料类型也将逐渐被研发出来，以满足不同领域对于材料性能的要求。
聚合物基磁致伸缩复合材料的研究进展
聚合 物基磁 致 伸 缩复合 材料 的研 究进展 ／ 王
劲等
・３ ・ ７
聚 合物 基 磁 致伸 缩 复合 材 料 的研 究进 展
王 劲 ， 齐暑华 ， 邱 华 ， 李春 华
（ 西北 工业 大学理学 院应用化学 系 ， 西安 ７ ０ ７ ） １０ ２ 摘要 聚合物基磁 致伸缩复合材料是 一种新 型 的功 能材料 。综述 了近年 来有 关聚合 物基磁 致伸 缩复合 材料
密度小 、 重量轻 的优 点 ， 而且易 于加 工出复杂 的结构形状 。与其
磁性材料或者亚铁磁性材 料 由于 磁化状 态 的改变 ， 其尺寸 发生
微小 变化的现象 。磁致伸缩主要来 自于原子或离子的 自旋与轨
的研 究 情 况 ， 绍 了磁 致 伸 缩 机 理 、 统 的 磁 致 伸 缩 材 料 的 特 点 ， 介 传 以及 聚 合 物 基 磁 致 伸 缩 复 合 材 料 的 产 生 ， 结 了聚 总
合物基磁致伸 缩复合 材料的性能影响 因素、 制备 工 艺和 应用情 况 ， 出 了今后 聚合 物基磁 致伸 缩复合材 料 的研 究 方 提
ｍｅ ｔｏ ｔ ｄ ｅ ｎ ｔ ｅｍａ ｎ ｔ ｓ ｒｃ ｉ ｅｐ ｌ ｅ － ａ ｅ ｏ ｐ ｓｏ ｈ ｇ ｅ ｏ ｔ ｉｔ ｏ ｙ ｒ ｂ ｓ ｄ ｃ ｍ ｏ ｉ ｓ ｅ ｉｗｅ ．Ｔｈ ｃ ａ ｉｍ ｆ ａ ｎ ｔ ｓ ｒｃ ｉ ｎ ａ ｄ ｖ ｍ ｅ ｅｍｅ ｈ ｎ ｓ ｏ ｇ ｅ ｏ ｔ ｉｔ ｎ ｍ ｏ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉ ｆ ｔ ｅ ｕ ｕ ｌｍａ ｎ ｔ ｓ ｒｃ ｉｅ ｍａ ｅ ｉ ｌ ａ ｅ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ． Ｔｈ ｒ ｇ ｅ ｓ ｏ ｇ ｅｏ ｔｉｔｖ ｏ ｙ ｅ － ａ ｅ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｏ ｈ ｓ ａ ｇ ｅ ｏ ｔｉ ｔ ｔ ｒａｓ ｒ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｖ ｅ ｐ ｏ ｒ ｓ ｆｍａ ｎ ｔ ｓ ｒｃ ｉｅ ｐ ｌ ｍ ｒｂ ｓ ｄ ｃ ｍｐ ｓｔ ｓ ｉ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｏ ｏ ｉ ｓ ｒ ｓ ｎ ｅ ．Ｔｈ ｎ ｌ ｅ ｃ ｎ ａ ｔ ｒ ｈ ｒ ｐ ｒ ｉｓ ｏ ａ ｅ ｏ ｔ ｉｔｖ ｏ ｙ ｅ － ａ ｅ ｏ ｅ ｅ ｉ ｆ ｎ ｉ ｇ ｆ ｃｏ ｓｉ ｔ ｅｐ ｏ ｅ ｔｅ ｆ ｇｎ ｔ ｓ ｒ ｉｅ ｐ ｌ ｕ ｎ ｍ ｃ ｍ ｒｂ ｓ ｄ ｃ ｍｐ ｓｔ ｓ ａ ｅ ａ — ｏ ｉ ｒ ｎ ｅ ａｙ ｅ ．Ｔｈ ｒ ｐ ｒ ｔ ｎ ａ ｄ ｔ ｅ ａ ｐ ｉａ ｉ ｎ ｏ ｇ ｅｏ ｔ ｉｔ ｅ ｐ ｌ ｅ － ａ ｅ ｏ ｌｚｄ ｅ ｐ ｅ ａ ａ ｉ ｎ ｈ ｐ ｌ ｔｏ ｆｍａ ｎ ｔ ｓ ｒｃ ｉ ｏ ｙ ｒｂ ｓ ｄ ｃ ｍｐ ｓｔ ｓ ａ ｅ ｓ ｍｍａ ｉｅ ． ｅ ｄ ｒ ｃ ｏ ｃ ｖ ｍ ｏ ｉ ｒ ｕ ｅ ｒｚ ｄ Ｔｈ ｉｅ — ｔ ｎ ｏ ｅ ｅ ｒ ｈ ｓｏ ａ ｎ ｔ ｓｒｃ ｉ ｅ ｐ ｌ ｅ － ａ ｅ ｏ ｏ ｉ ｓ ｉ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｉ ｈ ｎ ． ｉ ｆｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｎ ｍ ｇ ｅ ｏ ｔ ｉｔｖ ｏ ｙ ｒ ｂ ｓ ｄ ｃ ｍｐ ｓｔ ｉｃ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｅ ｄ ｏ ｍ ｅ ｓ Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ｍ ａ ｎ ｔ ｓ ｒｃ ｉ ｎ ｆ ｎ ｔ ｎ １ｃ ｍ ｐ ｓｔ ｓ ｐ ｌ ｅ － ａ ｅ ｇ ｅ ｏ ｔ ｉｔ ， ｕ ｃ ｉ ａ ｏ ｏ ｉ ， ｏ ｙ ｒ ｂ ｓ ｄ ｏ ｏ ｅ ｍ
超磁致伸缩材料发展动态与工程应用研究现状
[综述 专论]DOI :10.3969/.j i s sn .1005 2895.2011.01.收稿日期:2010 11 08;修回日期:2010 12 10基金项目:国家自然科学基金资助项目(50975256);浙江省自然科学基金重点资助项目(Z1080537);国家教育部博士点基金资助项目(20070335204)。
作者简介:宣振兴(1982),男,浙江义乌人,助理工程师,主要从事产品质量鉴定工作。
E m ai :l x uanz x1982@yahoo .co m.c n超磁致伸缩材料发展动态与工程应用研究现状宣振兴1,邬义杰2,王慧忠1,张 雷2(1.浙江省计量科学研究院,浙江杭州 310011;2.浙江大学现代制造工程研究所,浙江杭州 310027)摘 要:为了反映超磁致伸缩材料的国内外研究现状,对超磁致伸缩材料发展历程和性能特点进行了阐述。
在详细调研基础上,较全面地介绍了国内外超磁致伸缩材料在各工程领域的应用以及发展状况。
通过分析其历史沿革和最新成果,对未来的发展方向进行了展望,并对其应用潜力领域进行了预测。
图2参26关 键 词:材料学;超磁致伸缩材料;现状;应用;发展方向中图分类号: 文献标志码:A 文章编号:1005 2895(2011)01 0116 04Develop m ent and Applications R esearch on G i antM agnetostrictive M ateri alsXUAN Zhen x ing 1,WU Y i jie 2,WANG Hu i z hong 1,Z HANG Le i2(1.Zhe jiang P rov i nce Instit ute o fM etro l ogy ,H angzhou 310011,Ch i na ;2.Institute ofM anufac t ur i ng Eng i neer i ng ,Zhe ji ang U niversity ,H angzhou 310027,China)Abst ract :To report the current situati o n of g iant m agnetostrictive m ateria ls (GMM )at ho m e and abroad ,thedeve l o pm enta l h i s tory o f GMM is rev ie w ed and its good perfo r m ance is descri b ed .The status quo of app licati o n and deve l o pm ent of G MM i n d ifferent eng i n eeri n g fields at ho m e and abroad is presented by the sur vey syste m atica ll y .Theapp lication and developm ent o fGMM i n future is discussed.The fields where GMM has a huge po tenti a l use are also esti m a ted .[Ch ,2fi g .26re.f ]K ey words :m aterials ;g iant m agnetostrictive m ateria ls ;current situation ;applicati o n ;the d irecti o n for the futuredeve l o pm ent 1 问题的提出超磁致伸缩材料(G iant M agnetostricti v e M ateria,l 简写为G MM )是一种新型的功能材料,在室温下具有极大的磁致伸缩应变,典型代表为Terfeno l D,其饱和磁致伸缩系数 s 一般大于3.0 10-5。
Fe-Ga合金磁致伸缩性能研究进展
Fe-Ga合金磁致伸缩性能研究进展摘要：与稀土磁致伸缩材料Tefernol-D相比，Fe-Ga合金具有饱和磁场低、磁导率高、强度高、脆性小和温度特性好等特点，其潜在的应用范围更为广泛，尤其适用于强震动、大负荷、强腐蚀等较为恶劣的工作环境。
本文重点介绍了Fe-Ga 合金磁致伸缩的变形机制、制备工艺、合金成分、微观结构及性能等方面的研究进展。
关键词：Fe-Ga合金磁致伸缩研究进展0 引言磁致伸缩材料由于具有磁一弹耦合系数大、输出应力大、机械响应快、稳定性强等优良特性，在机器人、汽车、制动器、传感器、换能器、位移控制器、高能微动力装置、声学、磁学等领域呈现出重要的使用价值及广阔的应用前景。
从应用的角度看，具有良好工业应用前景的磁致伸缩材料一般应具有以下几个方面的特征：磁致伸缩系数大，能将更多的磁能转化为机械能；驱动磁场较小，能在较低的磁场下实现较大的磁致伸缩应变；居里温度较高，能广泛应用于各种高温环境；材料成本较低，制备工艺简单。
目前被广泛应用的磁致伸缩材料是以Terfenl-D为代表的稀土金属间化合物，它们的磁致伸缩值一般在(1000～2000)×10−6之间，但是由于在一般应用中需要较高的磁场，而且本身比较脆，另外由于重稀土Tb、Dy价格昂贵，生产成本较高，限制了Terfenl-D的应用。
以Heusler合金Ni2MnGa为代表的铁磁形状记忆合金由于兼有热弹性马氏体相变应变和磁控形状记忆效应，其磁控形状记忆效应兼具输出应变大、响应频率快等特点，因而在磁致伸缩材料方面也有较广阔的应用前景。
但该合金居里温度较低、所需驱动磁场大、材料脆性高等，不能很好地满足实际应用需要，国内外许多研究小组正在采取替代、掺杂、改进制备工艺等方法来积极改进该材料的性能，但仍不太理想。
近几年研究人员发现，在Fe中加入非磁性元素Ga能使其磁致伸缩系数增加十倍乃至几十倍，纯铁的磁致伸缩系数仅20×10−6左右，而加入Ga之后，其单晶体沿〈100〉晶向的饱和磁致伸缩系数达到400×10−6。
磁致伸缩材料
磁致伸缩材料磁致伸缩材料是一类具有磁致伸缩效应的功能材料，它们在外加磁场的作用下能够产生形变。
这种材料在现代工程技术中具有广泛的应用前景，包括在传感器、执行器、声学器件等方面。
磁致伸缩材料的研究和应用已经成为材料科学和工程领域的热点之一。
磁致伸缩效应是指在外加磁场的作用下，材料会发生明显的形变。
这种效应主要是由于材料内部的磁畴结构发生改变所导致的。
在外加磁场的作用下，材料内部的磁畴会重新排列，从而引起材料的形变。
这种形变可以是线性的，也可以是非线性的，具体取决于材料的性质和外加磁场的强度。
磁致伸缩材料的研究始于上个世纪，随着材料科学和工程技术的发展，磁致伸缩材料的种类和性能得到了极大的提升。
目前，常见的磁致伸缩材料主要包括铁氧体、镍基合金、铁-铝合金等。
这些材料具有良好的磁致伸缩性能，可以在外加磁场的作用下产生较大的形变，因此被广泛应用于各种领域。
磁致伸缩材料的应用非常广泛，其中最为重要的应用之一就是在执行器领域。
由于磁致伸缩材料在外加磁场的作用下能够产生形变，因此可以用于制造各种类型的执行器，如电磁阀、电磁泵、电磁马达等。
这些执行器具有体积小、响应速度快、能耗低等优点，因此在自动控制系统中得到了广泛的应用。
此外，磁致伸缩材料还可以用于制造传感器。
由于磁致伸缩材料在外加磁场的作用下会产生形变，因此可以用于制造各种类型的传感器，如应变传感器、压力传感器、位移传感器等。
这些传感器具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好等优点，因此在工业自动化、航空航天、医疗器械等领域得到了广泛的应用。
总的来说，磁致伸缩材料是一类具有重要应用前景的功能材料，它们在执行器、传感器等方面具有广泛的应用前景。
随着材料科学和工程技术的不断发展，相信磁致伸缩材料的研究和应用会得到进一步的推广和深化，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
磁致伸缩材料弱磁场响应特性的实验研究
展， 其应用也渗 透 到 了 各 个 方 面
［ ５ ７］
７］ 通常所说的磁致伸缩多指纵向磁致伸缩效应 ［ ．
、 Ｔ ｂ Ｄ Ｆ ｅ Ｆ ｅ Ｇ ａ等磁致伸缩材料的研制成 ｙ ， 使电磁能－机械能转换技术获得了突破性进
［ ］ ２ ４
特别是近年来 ． 磁致伸缩材料受到了 随着磁场传感器技 术 的 发 展 ， 作 为 敏 感 材 料， 磁致伸缩材料 ． 是磁场传感器最重 要 的 组 成 部 分 之 一 ， 其性质直接 因此材料的选择就成了制作传 决定传感器的性能 ， 感器的关键 ． 传统 的 磁 致 伸 缩 材 料 ， 如 过 渡 金 属、 稀 土金属 、 稀土 － 过 渡 金 属 间 化 合 物 及 锕 系 金 属 化 合 物等 ， 要么饱和磁致伸缩系数太小 ， 要么居里温度太 无法在常温下 工 作 ， 故 实 用 价 值 不 高． 目前应用 低， 又称为超 最广的磁 致 伸 缩 材 料 是 Ｔ ｂ Ｄ Ｆ ｅ材 料， ｙ 磁致伸缩材料 ， 主要以 Ｔ 其 ｂ Ｆ ｅ ｙ ０． ３Ｄ ０． ７ １． ９ ５ 材料为主 ，
从图 ３ 中 可 以 看 出 ， Ｆ ｅ Ｇ ａ 合 金 的λ 犎 曲线的 最大斜 率 犱３ ／ 而Ｔ ２． ３ ３ｐ ｍ ｍＴ， ｂ Ｄ Ｆ ｅ材 料 ｐ ｙ ３ ＝１ ／ 这表明 Ｆ 的犱 ７ ３ １ ２． ３ ３ｐ ｍ ｍＴ． ｅ Ｇ ａ 合金 的 ｐ ３ ３ ＝５． 磁场响应 灵 敏 度 要 好 于 Ｔ 因而更适 ｂ Ｄ Ｆ ｅ材 料， ｙ 合用做弱磁场传感器敏感材料 ． 此外 ， 作为弱磁场传感器的敏感材料还要有一 定的磁场响应线性区 ． 对图２和图３做进一步分析 可知 ， 外加磁场 在 ０～１ ０ ｍＴ 时 ， Ｆ ｅ Ｇ ａ 合金的 磁 致 伸 缩随磁场的变化不是很明显， 外加磁场在１ １ ２ ０ｍ Ｔ ～ 时， 材料的 磁 致 伸 缩 随 磁 场 的 变 化 明 显 ； 在１ ６ ｍＴ 左右时 ， 材料对 Ｆ ｅ Ｇ ａ合金的λ 犎 曲线的斜率最大 ， 并且在此值附近 ， 材料的磁致伸缩与外 磁场最敏感 ，
新型材料磁致伸缩效应的机械应用研究
新型材料磁致伸缩效应的机械应用研究磁致伸缩效应是指材料在磁场的作用下发生形变的现象，这一现象在新型材料中具有广泛的应用前景。
本文将探讨磁致伸缩效应在机械应用领域的研究进展，并分析其潜在的应用前景。
首先，我们来了解一下磁致伸缩效应的基本原理。
磁致伸缩效应是由于材料中的磁电耦合效应而产生的。
当外加磁场作用在材料上时，磁场将改变材料内部的磁化程度，从而引起材料的形变。
一般来说，材料在磁场方向上会发生伸长，而在垂直于磁场方向上会发生压缩。
这种磁致伸缩效应可以被应用于制造各种机械装置和器件。
接下来，我们将重点关注磁致伸缩效应在机械应用领域的研究进展。
近年来，许多研究机构和企业对磁致伸缩效应进行了深入的研究，并取得了一系列令人瞩目的成果。
例如，在机械领域，磁致伸缩效应可以用于制造微型机械致动器。
这些致动器可以通过外加磁场来控制其长度，从而实现微小机械装置的控制和调节。
此外，磁致伸缩效应还可用于制造精密测量仪器和机械元器件。
磁致伸缩材料在磁场作用下的形变可以实现微米级的位移控制，从而可用于制造高精度的位移传感器和驱动装置。
这些装置在航空航天、光电子、精密加工等领域中具有广泛的应用前景。
在机械应用领域中，磁致伸缩效应还可以应用于制造智能材料和智能结构。
智能结构是指具有感知、反应和自适应能力的结构，它能够根据外界环境条件的变化自动调整其性能。
磁致伸缩材料可以作为智能结构的重要组成部分，利用其磁致伸缩效应来实现结构的形状控制和性能调节。
这一领域的研究目前仍处于初级阶段，但已经显示出巨大的潜力。
尽管磁致伸缩效应在机械应用领域的研究取得了一系列重要的成果，但仍然存在一些挑战和问题需要解决。
首先，磁致伸缩材料的制备和加工需要较高的成本和技术要求。
其次，磁致伸缩效应的稳定性和可靠性需要进一步改善，以满足实际应用的需求。
此外，磁致伸缩材料的长期使用性能和耐久性也需要进行更加深入的研究。
综上所述，磁致伸缩效应在机械应用领域具有广泛的应用前景。
超磁致伸缩材料的车辆应用与研究现状
超磁致伸缩材料的车辆应用与研究现状
蒋孙权 浙江农业商贸职业学院 浙江省绍兴市 312088
摘 要：超磁致伸缩材料是一种可以实现机械能和电磁能相互转换的新型功能材料，具有高效、快速、转换效率高、 稳定可靠等优点，超磁致伸缩材料已在军事、航空、自动化、仪器仪表等领域得到了广泛的应用。文中介 绍了超磁致伸缩材料的正逆效应和工作原理，详细阐述了超磁致伸缩材料在车辆上的应用情况和研究现状， 包括汽车无源供能、汽车制动控制、汽车振动控制、汽车各类传感器等，为后续超磁致伸缩装置的车辆优 化提供了借鉴依据。
关键词：超磁致伸缩 车辆 传感器
Application and Research Status of Giant Magnetostrictive Materials in Vehicles Jiang Sunquan
A b s t r a c t ：Giant magnetostrictive material is a new type of functional material that can realize the mutual conversion of mechanical energy and electromagnetic energy. It has the advantages of high efficiency, fast speed, high conversion efficiency, stability and reliability. Giant magnetostrictive materials have been used in military, aviation, automation, instrumentation and other fields have been widely used. The article introduces the forward and inverse effects and working principles of giant magnetostrictive materials, and elaborates on the application and research status of giant magnetostrictive materials in vehicles, including passive energy supply for automobiles, automobile brake control, automobile vibration control, various automotive sensors, etc., providing a reference for subsequent vehicle optimization of giant magnetostrictive devices.
超磁致伸缩材料及其应用研究_李松涛
超磁致伸缩材料及其应用研究＊李松涛 孟凡斌 刘何燕 陈贵峰 沈 俊 李养贤(河北工业大学材料科学与工程学院 天津 300130)摘 要 稀土超磁致伸缩材料是一种新型稀土功能材料.文章概述了超磁致伸缩材料(GMM )的研究历史;对比了一种实用的超磁致伸缩材料(Terfenol -D )和压电陶瓷材料(PZT )的性能;阐述了超磁致伸缩材料当前在以下两个方面取得的研究进展:(1)关于工艺方法的研究:包括直拉法、区熔法、布里奇曼法和粉末烧结、粘结等方法;(2)关于材料组分的研究:包括对Fe 原子的替代研究以及开发轻稀土超磁致伸缩材料的研究.文章最后叙述了超磁致伸缩材料的应用领域,以及发展我国稀土超磁致伸缩材料的意义.关键词 超磁致伸缩,稀土金属间化合物Giant magnetostrictive materials and their applicationLI Song -Tao MENG Fan -Bin LI U He -Yan CHEN Gui -Feng SHEN Jun LI Yang -Xian(Scho o l o f M ate rial Sci enc e &Engi nee rin g ,He bei Uni ver sit y of Tech no lo gy ,Tian jin 300130,C hin a )Abstract Rar e -earth giant magnetostrictive materials (GMM )are a type of ne w functional mater ials .A br ief de -scription is given of the histor y of giant magnetostrictive materials ;and their char acteristics are compared with those of piezoelectr ic mater ials .Curr ent research developments are descr ibed ,in particular :(1)fabrication technology ,in -cludingthe Czochraski ,FSZ ,Bridgman ,po wder -sintering and powder -bonding methods ;(2)c omposition studies of GMM ,including the substitution for Fe in RFe 2and exploitation of light rare -earth GMM .Applications and the impor -tance of GMM researc h in China are r eviewed .Key words giant magnetostr iction ,rar e -earth -transition inter metallics＊ 国家自然科学基金(批准号:50271023)和教育部科学重点(批准号:02017)资助项目2004-03-23收到初稿,2004-06-07修回 通讯联系人.E -mail :ad mat @js mail .h eb ut .edu .cn1 磁致伸缩效应简介1842年,焦耳(Joule )发现沿轴向磁化的铁棒,长度会发生变化,这种现象称为磁致伸缩效应,又称为焦耳效应[1],从广义讲包括顺磁体、抗磁体、铁磁体以及亚铁磁体在内的所有磁性材料都具有磁致伸缩性质.但是顺磁体、抗磁体材料的磁致伸缩值很小,实际应用价值不大;而对于部分铁磁性及亚铁磁性材料,磁致伸缩值较大,数量级可以达到103ppm ,具有很高的实用价值,引起研究人员的重视.磁致伸缩材料的应用主要涉及到以下几种效应:(1)磁致伸缩效应(焦耳效应):材料在磁化状态改变时,自身尺寸发生相应变化的一种现象.磁致伸缩有线磁致伸缩(长度变化)和体磁致伸缩(体积变化)之分,其中线磁致伸缩效应明显,用途广,故一般提到的磁致伸缩都是指线磁致伸缩.(2)磁致伸缩的逆效应(Villari 效应):对铁磁体材料施加压力或张力(拉力),材料在长度发生变化的同时,内部的磁化状态也随之改变的现象.(3)威德曼效应(Wiedemann )效应:在被磁化了的铁磁体棒材中通电流时,棒材沿轴向发生扭曲的现象.(4)威德曼效应的逆效应(Matteucci 效应):将铁磁体棒材绕轴扭转,并沿棒材的轴向施加交变磁场时,沿棒材的圆周方向会产生交变磁场的现象.(5)ΔE效应:磁致伸缩材料由于磁化状态的改变而引起自身杨氏模量发生变化的现象.正是由于上述效应的存在,磁致伸缩材料才能广泛应用于超声波、机器人、计算机、汽车、致动器、控制器、换能器、传感器、微位移器、精密阀和防震装置等领域[2].2 超磁致伸缩材料的研究历史在焦耳发现磁致伸缩现象后的一个世纪里,人们一直在努力探索实用的磁致伸缩材料,但是大部分材料的磁致伸缩值只有10-6—10-5数量级,仅相当于热膨胀系数.直到1940年,Ni和Co的多晶(Ni,Co-Ni,Ni-Fe,Fe-Co)材料出现后,磁致伸缩材料才得到实用化,磁致伸缩约为40ppm,主要应用于超声波换能器.1950年,发现了Alfer Fe-13%Al合金,它的磁致伸缩值达到100ppm,磁致伸缩材料的研究取得了一定进展.但是早期的磁致伸缩研究大部分是关于噪声的,如1954年Hunt发现放置在通有交变电流的线圈附近的永磁体会发出声音;日常生活中的老式日光灯镇流器会发出的低鸣声,都是磁致伸缩效应在交变磁场下的表现.20世纪60年代,Legvold[3],Clar k[4]和Rhyn[5]等致力于稀土类磁致伸缩材料的研究,并取得较大进展.该类材料的磁致伸缩值比一般材料要大上百倍,因此称为超磁致伸缩材料.一般来讲,超磁致伸缩材料包括稀土金属、稀土-过渡金属间化合物及其非晶薄膜合金、稀土氧化物和锕系金属化合物,其中只有MgCu2型Laves相金属间化合物RFe2(R代表稀土元素)及其非晶薄膜以其居里温度高、室温磁致伸缩值大而倍受研究人员的关注.室温超磁致伸缩材料的研究始于20世纪70年代,Clar k等人[6]系统研究了稀土-过渡族金属(Ni,Co,Fe,Al,Mn)化合物,发现具有MgCu2型Laves相结构的RFe2合金具有较大的室温磁致伸缩值.但是该材料的磁晶各向异性能很高,各向异性常数达到106J/m3数量级,仅被当作永磁材料的候选者.后来,研究人员发现RFe2的各向异性常数具有正负号,于是利用符号相反的RFe2相互补偿来获取较低磁晶各向异性能的磁致伸缩材料.1974年, Clark等人[7]成功地发现了赝二元金属间化合物Tb0.27Dy0.73Fe2合金,它具有磁致伸缩值高、居里温度高、磁晶各向异性能小等优点,目前Terfenol-D牌号的超磁致伸缩材料(Tb x Dy1-x Fe2)已经商品化应用.如今,稀土超磁致伸缩材料像稀土磁光材料、稀土永磁材料和稀土高温超导材料一样,成为人们广泛关注的又一新型稀土功能材料.3 超磁致伸缩材料T erfenol-D的优点目前,在各种致动器件中广泛应用的是压电陶瓷材料,然而Terfenol-D材料较压电陶瓷材料具有更优越的性能:(1)室温磁致伸缩值更大,单晶材料应变值达1500ppm以上,比传统压电陶瓷材料高数倍.(2)居里温度高,适用于高温环境.当环境温度高过居里温度时,磁致伸缩性能只会暂时消失,待冷却到居里点后,磁致伸缩性能完全恢复;而压电陶瓷在工作温度以上会极化而永久失效.(3)输出应力大,在外加预应力条件下,磁致伸缩还存在跳跃效应.(4)能量转换效率高,机电耦合系数可达到0.8.(5)超磁致伸缩材料可承受高达200MPa的压力,能适用于高压力的执行器、大功率的声学换能器等,而压电陶瓷无法承受较大的压应力.(6)驱动电压低,只需几伏电压驱动,远低于压电陶瓷几千至几万伏高压驱动.(7)响应速度快,对磁场和应力几乎即时响应,可用于快速执行器.(8)频率特性好,频带宽.表1 超磁致伸缩材料Terfenol-D与压电陶瓷材料物理性能对比材料特性Terfenol-D材料压电陶瓷材料应变值(ppm)1500800声速(m/s)1700—2600—产生应力(kg/c m2)300150居里温度(℃)380℃±40180℃±100机电耦合系数0.80.7响应速度μs级ms级4 超磁致伸缩材料当前的研究热点和进展4.1 关于制备工艺的研究〈111〉方向是T erfenol-D材料的易磁化方向,也是磁致伸缩系数最大的方向.因此生长〈111〉方向的单晶是获得大磁致伸缩材料的途径之一.磁致伸缩材料单晶或取向晶体的生长方法主要有直拉法、悬浮区熔法和布里奇曼法等等.直拉(Czochraski)法是将籽晶与熔融金属接触,以一定速度拉出,依靠固液界面张力将熔化金属提出后凝固生成单晶的晶体生长方法.该方法要求高的真空度和高纯度的原料,拉出的晶体成分偏差较大,目前只用于实验室研究.悬浮区熔(Free-standing-zone)法是将母合金棒放入悬浮区熔装置中,由感应线圈提供一定宽度的熔区,棒相对于感应线圈上下移动,母合金经过熔化-凝固过程后得到孪晶或定向多晶的方法.悬浮区熔法避免了坩埚对原材料的污染,元素烧损少,轴向成分和性能比较均匀.此方法适用于生产小尺寸的棒材.布里奇曼(Bridgman)法是将熔体置于底部尖端的坩埚内,熔体通过水冷结晶器作用,缓慢生成单晶的方法.该方法生成的棒材磁致伸缩性能略差,但是可以一次浇注多根不同尺寸、不同形状的棒材,适合大规模生产,目前已经商业化应用.目前,研究者在单晶和取向晶体的制备工艺上取得了很大的进展,如北京科技大学周寿增教授、北京航空航天大学蒋成保教授等成功制备出[1-10][8]、〈113〉[9]和[112][10]取向的TbDyFe磁致伸缩材料.由于T erfenol-D合金凝固时晶粒的择优生长方向为〈112〉和〈110〉,且在晶体生长过程中容易出现包晶反应、组分过冷,生长〈111〉方向的单晶很难.1995年,中国科学院物理研究所吴光恒研究员采用直拉法首次生长出〈111〉方向的T er fenol-D单晶[11],其自由样品磁致伸缩值达1800ppm;在6MPa 压力和2kOe(1Oe=79.5775A/m)磁场作用下,该单晶最大磁致伸缩值为2375ppm[12].由于制备单晶和取向晶体的成本高,且需要根据实际应用对单晶进行切割处理[13],造成很大浪费,更不能制备大尺寸和形状复杂的磁致伸缩应用元件.于是研究者借鉴了永磁材料制备中的烧结和粘结技术.如利用磁场取向成型法[14],将Terfenol-D 粉末制成晶粒沿磁场方向取向的压结体,然后在一定的温度(950—1050℃)下烧结12h,使晶粒长大.在14kOe下,该烧结体材料的磁致伸缩值达到1067ppm.Clark等用粉末粘结法[15]制备了ErFe2和TbFe2的粉末粘结体,其中在磁场下固化的TbFe2粘结体,饱和应变达到1185ppm.另外研究者还研究了不同胶含量和粉体粒径对磁致伸缩性能的影响[16,17].烧结和粘结方法虽然降低了磁致伸缩系数,却能够制备大尺寸异形元件,具有很高的实用价值.4.2关于超磁致伸缩材料组分的研究目前稀土超磁致伸缩材料组分的研究主要集中在以下两个方面:4.2.1 对RFe2结构中Fe原子的替换研究人员用Ni,Co,Mn,Al取代RFe2中的Fe 后发现,Mn的替代[18]显著降低了磁晶各向异性能,磁致伸缩值增大;而Ni,C o的替代未见明显的效果,Al的替代虽然降低了磁致伸缩,但同时略微降低了饱和场[19].另外少量的非金属B的掺杂可促进成相和提高磁致伸缩[20,21].4.2.2 开发含轻稀土的超磁致伸缩材料对于T erfenol-D而言,限制其推广的一个原因是重稀土价格昂贵.因此,价格低廉的轻稀土超磁致伸缩材料成为又一研究热点.这方面的工作开始主要集中在含Sm和Pr的化合物上[22,23].由于具有与TbFe2相比拟的室温磁致伸缩,SmFe2首先引起研究者的重视.但SmFe2的磁致伸缩值是负的,应用范围较小.因此可能使用的材料是含Pr的化合物,但是由于Pr的原子半径较大,常压下不能合成含有较高浓度Pr的Laves相材料.研究发现,Ce原子具有较高的结合能,Ce的掺入能够提高Laves相金属间化合物中Pr的浓度[24].因此研究含有Pr,Ce轻稀土的超磁致伸缩材料具有重要的研究价值.对于含轻稀土Pr的Laves相金属间化合物的研究[25,26],发现Pr0.15Tb0.75Dy0.25Fe2取向材料λ=2200ppm(H= 10kOe),磁致伸缩性能比无Pr替代的Tb x Dy1-x Fe2高出约400ppm.根据单离子模型,CeFe2和PrFe2在0K下的磁致伸缩值分别达到6000和5600ppm,分别远大于TbFe2、DyFe2的4400和4200ppm.然而低温条件下CeFe2磁致伸缩系数仅为60ppm.原因在于CeFe2中稀土Ce离子表现为+3.29价,而不是+3价,因此,获得表现为+3价的Ce基化合物有可能获得大磁致伸缩材料.唐成春博士研究了含Ce的Laves相金属间化合物,通过对材料的晶体学、磁学性质的分析,系统地研究了Ce的变价行为,证明Ce向+3价的波动确实对磁致伸缩有贡献[27—31],在Ce基轻稀土超磁致伸缩材料研究方面取得较大的进展.5 超磁致伸缩材料的应用领域超磁致伸缩材料和压电陶瓷材料在军事、电子、机械等领域有着重要的应用.利用电磁能和机械能的有效转换,磁致伸缩材料和压电陶瓷材料可以制成众多先进器件,如声/水声学器件、力学器件、执行器件、换能器件等.近年来,随着超磁致伸缩材料的不断开发和应用,已形成了替代压电陶瓷的趋势.超磁致伸缩材料的用途可分为以下几个方面.5.1 声学方面声信号是水下通信、探测、侦察和遥控的主要手段.声纳装置的核心元件是压电材料和磁致伸缩材料.声纳发射的声波频率越低,声信号在水中的衰减就越小,传播的距离就越远.同时,宽频带响应可以提高声信号的分辨率.超磁致伸缩材料T er -fenol -D 与压电陶瓷材料PZT 相比具有输出功率大、低频特性好、工作温度范围大、低电压驱动等优点,从而在声纳系统中得到广泛的应用.用Terfenol -D 制成的超声波发生器在捕鱼、海底测绘、建筑和材料的无损探伤方面也有很好的应用前景[32].图1是超磁致伸缩材料的应用原理图.由驱动线圈提供磁场,T erfenol -D 棒材的长度会发生变化,从而将电能转换成声波或机械能输出.另外超声振动能够使液体瞬间产生大量气泡并破裂,产生局部的高温、高压和机械振动,于是人们用超磁致伸缩材料制成了大功率超声换能器,用于超声清洗、加工和分散等领域.图1 超磁致伸缩材料应用原理5.2 传感器和电子器件利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩大、响应速度快的特点,超磁致伸缩材料可以制成位移、力、加速度的传感器,还可以用于与磁场有关的物理量测量.Chung 等利用T erfenol -D 设计了一个磁致伸缩型二极管激光磁强计[33],对90Hz 的交变磁场,具有0.2m Oe 的分辨率,而一般商用磁强计只有1m Oe 的分辨率.5.3 微控制领域利用超磁致伸缩材料应变随磁场变化以及响应速度快的特点,超磁致伸缩材料可制成精密致动器、控制阀门和高速阀门的驱动元件,用于精确定位、微动马达和精密阀门等方面,如分辨率达nm 级的微位移执行器和微小步进达微弧度的旋转马达[34].超磁致伸缩材料可应用于燃料注入系统,实现对燃料的精确、瞬时控制,以达到燃料充分燃烧,减少污染的目的,目前已经应用于汽车等内燃机.5.4 阻尼减震系统根据磁致伸缩材料机械响应快、能够将机械能转变成磁能的特点,ABB 等几家公司设计了阻尼减震系统,并预见了磁致伸缩材料用于未来的交通工具的减震技术.该系统由Terfenol -D 伺服阀控制液压柱,取代弹簧和减震器,根据微机信号进行反应,使用该减震系统的交通工具在行驶时会十分平稳.超磁致伸缩材料制成的元件在功率、响应频率、低压效果、可靠性等方面的优势引起了世界各国的重视.美国海军早在20世纪70年代就开始了水下超磁致伸缩材料的研制工作;日本海洋科技中心与NKK 电子工业公司开发了用于音响层X 射线照相术的超磁致伸缩低频声纳换能器;东芝公司试制了超磁致伸缩低频小型扬声器,超磁致伸缩材料已经进入民用阶段.人们仍在努力探索室温超磁致伸缩材料应用的新领域.6 结束语高性能的超磁致伸缩材料是现代技术所必须的重要功能材料之一,它的广泛应用将导致一系列控制和执行元件的革命.高技术产业的迅速发展,对稀土超磁致伸缩材料的需求日益增大.据有关专家预测,用于超声波器件的超磁致伸缩材料,在美国一年需要 0.5—1in (1in =2.54cm )圆棒约10000in .用于油压机、机器人等的超磁致伸缩材料在美国市场每年约6亿美元;用超磁致伸缩致动器取代传统压电致动器的市场更加可观.稀土超磁致伸缩材料中稀土占有相当大的比例,以原子百分浓度计达33%以上.我国是一个稀土大国,超磁致伸缩材料又有广阔的市场和应用前景,所以开展稀土超磁致伸缩材料的研究,开展多学科的交叉研究,拓展超磁致伸缩材料的应用,对推动我国稀土事业的发展和提高科技水平将产生深远的影响.参考文献[1]钟文定.铁磁学(中).北京:科学出版社,1987.21[Zhon g W D .Ferromagn etics (Ⅱ).Beijin g :Science Press 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教授领导的研究组发明了一种超声装置可放在客车上对火车铁轨的裂缝进行探测.过去超声径迹探测设备必须要安装在特殊的火车上才能进行工作,这种火车的速度要保持在每小时20—30英里.而现在的新装置是可以在一般快速疾驶的载人客车上使用,车速可达到每小时200英里.它还可以连续地、常规地检查刚出现的铁轨的裂纹.新的超声技术可以探测到离铁轨表面15mm 深处的裂纹缺陷,另外它还可以测量出裂纹的“量规角(gauge -corner )”,所谓的量规角经常发生在动的车轮与铁轨端点相接触处.由量规角裂缝引起的径迹故障常常是许多意外事故发生的原因;例如2000年10月发生在英国的火车脱轨事故也是由此产生的,该事故造成四位乘客伤亡.安装在火车上的探测器,它能产生“低频、宽带的瑞利波”.多种频率的声波将沿着铁轨表面快速地传播,不同频率的波可以穿透到离铁轨表面的不同深度.低频波一般能穿透15mm 左右.若声波在碰到铁轨内的裂缝时,其中的部分将会被阻截,这时稍稍有一部分声波会发生反射,从而被探测器测定,根据各种波的频率大小就可以测出裂缝的精确位置与深度.初步的试验结果表明,这项新技术还可以检测铁轨内部微结构的变化和应力的分布.这对于识别裂纹的敏感变化有极大的好处.当然为了能证实上述的各种能力,还需要进行一系列的实验工作,特别是要把探测从实验室的条件转变到真正的实际客车上去作试验.(云中客 摘自Issue of Insight The Journal of the British Institute of Non -Destructive Testing ,June 2004)。
磁致伸缩材料的制备及其应用研究
磁致伸缩材料的制备及其应用研究
磁致伸缩材料是一种独特的材料，它具有在磁场作用下发生形变的能力。
该材
料是由一种复杂的晶体结构组成，其中的结构可以随着外界磁场的变化而发生改变。
制备磁致伸缩材料需要经过复杂的化学和物理加工过程。
首先是材料的选择，
磁致伸缩材料主要由金属、合金和氧化物等材料制成。
然后，需要通过高温熔炼、高压制备等方法制备、处理合金或氧化物。
然后进行物理生长，可以采用单晶生长或薄膜制备的方式。
最后需要进行一些物理实验，如X射线衍射、扫描电子显微
镜等。
磁致伸缩材料的应用非常广泛，其中最常见的应用是在磁致伸缩传感器方面。
磁致伸缩传感器是一种用于测量位移和力量的传感器，它可以测量非常小的变化，同时具有高精度、高灵敏度的特点，因此被广泛用于工业自动化和机器人控制等领域。
此外，在医学和航空航天等领域也有着广泛的应用，如用于人体生理信号的检测和空间设备的驱动控制等。
除此之外，磁致伸缩材料还有着其他特别的应用。
例如，在噪声控制领域，磁
致伸缩材料可以用于防振和噪声衰减，可以在建筑结构和车辆上使用。
在电磁阀和电子发射管等电子器件中，磁致伸缩材料也有着重要的应用。
需要注意的是，磁致伸缩材料虽然具有许多优点，但也有其缺点。
例如，磁致
伸缩材料的应变受限于磁场强度，因此它只能用于较小的应力和位移。
总的来说，磁致伸缩材料是一种非常重要的材料，它在各个领域都有着广泛的
应用。
因此，磁致伸缩材料的研究和开发还需要进一步加强。
未来，我们可以预见，随着技术的发展，磁致伸缩材料的应用领域还将会继续扩大。
超磁致伸缩材料的工程应用研究现状
&
国外有关超磁致伸缩材料的应用研究
稀土超磁致伸缩材料的优异特性一经发现立即受
到各国科技界、 工业界和政府部门特别是军事部门的 高度关注。 近几年来， 国外研制了近千种应用lt;>? 期
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现状・趋势・战略
二次电压信号。 压磁式压力传感器具有输出功率大、 抗 干扰能力强、 寿命长、 维护方便、 能适应恶劣工作环境 等优点， 在工业自动化领域中有着良好的应用前景。 多元稀土铁化合物存在一个补偿温度， 在此温度 下其热膨胀系数从 ! " #$ % & ’ ( 突然增大到 ##! " #$ % & ’ 弹性模量亦发生锐变， 并可通过改变磁场或材料的 (， 成分来改变补偿温度。 利用该特性可制作热膨胀检测 器件。 ) * + 在磁 ) 电 + —机械换能器中的应用 基于超磁 致伸缩材料的磁 ) 电 + —机械换能器具有大位移、 强力、 响应快、 可靠性高、 漂移量小、 驱动电压低等优点， 因而 在超精密加工、 微马达、 振动控制以及流体机械等工程 领域均显示出良好的应用前景， 是一种很有潜力的新 型智能驱动元件。 ! 在超精密加工中的应用 精度达到纳米级及以 上的超精密定位系统目前大多采用基于压电陶瓷材料 的致动元件， 其输出功率低， 且必须采取有效措施防止 冲击力和高驱动电压造成的击穿短路等问题。 超磁致 伸缩驱动元件输出位移是电致伸缩致动器的数十倍， 且可低阻抗运行。 日本茨城大学江田弘和东芝公司的 (,-./.012 合作设计了定位精度达到纳米级的超磁致 伸缩致动器 ) 见图3 + ， 并将其成功地应用于大型光学金 刚石车床的微进给装置
*
国内超磁致伸缩材料研究开发概况
Fe_Ga合金磁致伸缩性能的研究进展
收稿日期:2009 07 24*基金项目:国家自然科学基金项目(50561001);国家 863 项目(2008AA042207)作者简介:张光睿(1982 ),甘肃古浪人,助工,本科.第4卷 第1期材 料 研 究 与 应 用V o1.4,N o.12010年3月M A T ERIA L S RESEA RCH A ND AP PL ICAT IONM ar .2010文章编号:1673 9981(2010)01 0005 04Fe Ga 合金磁致伸缩性能的研究进展*张光睿,江丽萍,吴双霞,郝宏波(包头稀土研究院,内蒙古包头 014010)摘 要:介绍了F e Ga 合金磁致伸缩应变的机制,着重阐述了F e Ga 磁致伸缩材料的成分、制备工艺、微观结构及热处理等方面的研究进展.关键词:Fe G a 合金;磁致伸缩;进展中图分类号:T G 132 2文献标识码:A磁致伸缩材料是一种磁性功能材料,其应用领域广泛,特别是在航空航天、军事等领域中.目前应用的有Terfenl D 等稀土超磁致伸缩材料,其磁致伸缩值一般为1 10-3~2 10-3;金属Fe 的磁致伸缩值约为2 10-5,但加入非磁性元素Ga 后,其磁致伸缩值增加十倍乃至几十倍[1].目前,报道的Fe Ga 单晶体沿<100>晶向的饱和磁致伸缩系数达4 10-4左右[2],与T er fenl D 等稀土超磁致伸缩材料相比,其饱和磁场小、磁场灵敏度高.Fe Ga 合金具有良好的延展性、可热轧、抗拉强度较高、很好的温度特性及能够在较宽的温度范围内使用,所以Fe Ga 合金在各领域中有着广阔的应用前景[3 4].1 Fe Ga 合金的磁致伸缩应变机制Fe Ga 合金的磁致伸缩应变主要是在磁化过程中非180 畴壁位移或磁矩的转动造成的,磁畴的畴壁位移及磁矩的转动与合金的取向和磁矩有密切关系,Fe Ga 合金的易磁化方向为<100>方向,对于<110>轴向取向的多晶合金,当在磁矩取向[110]方向施加一磁场时,为了减小静磁能,<100>轴向取向合金的磁矩会向[110]方向旋转,各个晶粒的磁致伸缩应变都沿[110]方向做有序排列,因而Fe Ga 合金表现出大的磁致伸缩应变.加入非磁性的Ga原子后,Ga 原子取代Fe 原子形成Fe Ga 固溶体.在过渡金属的3d 能带中,由于电子的交换作用,3d 能带劈裂为3d +和3d -两个次能带.由于Fe Ga 合金中3d 和4s 是混合带,Ga 原子的外层电子可以补充或减少各能带中的电子,Fe 和Ga 的原子序数相差5,Ga 的4s 和4p 能带上的电子不能全部填充到Fe 原子的3d 能带上,当Ga 的电子填充到Fe 的3d +上后,增大了与3d -的差值,造成Fe 原子磁矩的增加.Sr isukhumbo w ornchai 等人[5]认为,d 层全满或全空的非磁性元素影响Fe 原子的自旋 轨道耦合,从而提高了材料的磁致伸缩性能.Si,Ge 及B 等元素具有与Ga 相似的电子结构,同Ga 元素一样可以提高Fe 的磁致伸缩性能.2 磁致伸缩性能研究的进展2.1 合金成分及制备方法合金成分及相结构对Fe Ga 合金的磁致伸缩性能有较大的影响.在室温下Ga 元素在Fe 中的平衡固溶度为11%,当温度为1037 时其固溶度为36%,在亚稳态过饱和固溶体中可以达到30%以上.文献[6 7]的研究结果表明:当单晶<100>取向、4%<w (Ga)<19%时,Fe Ga 合金的饱和磁致伸缩应变随Ga 含量的增加而增加,并在Ga 含量为19%时达到极大值;当19%<w(Ga)<24%时,合金的磁致伸缩系数随Ga含量的增加而减小,并在Ga含量为24%处时降到极小值;随Ga含量的继续增加,磁致伸缩系数也增加,在27%附近处又达到极大值.添加元素对Fe Ga合金的磁致伸缩性能有影响,Sr isukhumboeornchai,Borm io,Dai及Restor ff 等人[8 11]均发现,在多晶体合金中用少量的A l取代Ga或者用Co取代Fe,都能使合金的磁致伸缩性能增加,但在室温下往单晶合金中加入少量的Ni或Al,反而使单晶<100>取向合金的磁致伸缩系数下降.Clark等人[12]研究发现,在Fe Ga合金中Ga 含量低于21%时, (111)为负值;Bozorth[13]在研究用少量的Ni取代Fe以降低 (111)值的试验中发现,在降低 (111)值的同时也降低了 (100)值.龚彦等人[14]研究B添加对Fe Ga合金相结构及磁致伸缩性能的影响时发现,在铸态的(Fe0.81Ga0.19)100-x B x 中主要有A2相、Fe2B相和L12相,淬火后出现DO3相,铸态合金(Fe0.81Ga0.19)100-x B x的磁致伸缩性能比Fe81Ga19的差,当x<10%时,经油淬处理后合金(Fe0.81Ga0.19)100-x B x的磁致伸缩值比Fe81Ga19的大,但当x>10%时其性能有所下降.高芳等人[15]研究了添加Si和Ge对Fe Ga合金的磁致伸缩性能的影响时发现,当添加少量的Si或Ge不会明显降低合金的饱和磁致伸缩值;当Si或Ge含量超过1 9%时,饱和磁致伸缩值明显减小.总的来说,A l 取代Ga有利于合金的磁致伸缩性能增加,但B,Si 和Ge的添加对合金的磁致伸缩性能影响不大.由于取向对Fe Ga合金的性能有很大的影响,所以多晶合金的性能大多低于单晶合金,Kumagai 等人[16]利用浮区法分别制备出了A2,B2和DO3相的单晶合金Fe1-x Ga x(x=0.24~0.25)并发现,在平行于磁场方向,A2相单晶合金的磁致伸缩系数最大,B2相单晶合金次之,DO3相单晶合金的磁致伸缩系数最小.Clark等人[17]采用布里吉曼法,通过严格控制熔炼气氛及工艺参数,解决了向下抽拉速度慢导致Ga严重挥发的问题,制备出了具有<100>取向的单晶Fe Ga合金,其饱和磁致伸缩系数约为4 10-4.韩志勇等人[18]制备的Fe83Ga17合金的磁致伸缩系数为2 10-4左右.刘国栋等人[19]采用甩带急冷的方法制备了Fe85Ga15合金并发现:当磁场的方向始终垂直于甩带面时,在沿带面方向上的磁致伸缩系数非常大,达到-13 10-4;在厚度方向上的磁致伸缩系数也达到11 10-4(误差小于10%);通过甩带合金样品自由生长面的XRD图谱,可以清楚地看到(110), (200)和(211)立方相的三个主峰,说明合金基本保持了 Fe相的bcc结构.甩带的磁致伸缩系数增大的原因,一是薄带样品造成的形状各向异性,二是大量Ga原子团簇的出现和择优取向的产生.江洪林等人[20]采用熔体快淬方法制备出不同厚度的Fe83Ga17合金薄带,其磁致伸缩系数达到-21 10-4,并且发现磁致伸缩系数与薄带的厚度有密切关系,通过XRD图谱发现存在DO3相.所以,采用甩带等快淬方法制备出来的合金,其磁致伸缩性能得到很大地提高.2.2 合金相结构韩志勇等人[18]研究棒状Fe83Ga17合金发现:在热处理过程中从高温缓慢冷却到室温,合金进入bcc+L12两相区后,亚稳的长程有序的DO3相析出;而合金从高温水淬快冷到室温,长程有序的DO3相则被抑制,合金保持无序的bcc结构.炉冷样品的磁致伸缩系数为217 10-6,快淬样品的磁致伸缩系数为232 10-6,说明棒状样品中的DO3相对磁致伸缩性能不利.由于熔体快淬制备的合金薄带保持了无序的bcc结构且产生了DO3相,因此薄带合金样品的磁致伸缩系数远大于棒状样品,这是由于两种样品中DO3相晶格的参数不同.江洪林等人[20]认为,薄带中的DO3相是对称性有缺陷的DO3相,不对称的Ga Ga原子对可造成局部的应变及削弱剪切模量,从而提高薄带的磁致伸缩能量密度,使薄带的磁致伸缩性能得到提高.Fe Ga磁致伸缩材料为体心立方结构,它具有高的磁致伸缩各向异性.Kumagai等人[16]研究发现, <100>方向的磁致伸缩系数最大,偏离<100>方向的<110>和<111>晶系的磁致伸缩系数较低.所以,通过材料的轴向织构可以有效地改善其磁致伸缩性能.Clark等人[17]制备的具有<100>取向的单晶Fe81Ga19合金的磁致伸缩系数接近4 10-4.Na 等人[21]将(Fe81.3Ga18.7)+0.5%B合金通过控制退火条件及在合金表面掺杂S,轧制后得到了立方织构{100}取向的薄片,在1200 下退火2h后淬冷,得到的最大磁致伸缩系数为2 10-4.对于有序度对合金性能的影响,Wuttig[22]和Clark[12]认为,磁6材 料 研 究 与 应 用2010致伸缩是由在无序的Fe结构中沿特定晶体取向方向上的Ga原子短程有序引起的,并且认为在Ga含量较低的条件下,随着Ga含量的增加,合金中的原子短程有序相的数量会增加.Bai[23]等人通过磁力显微镜发现,随着Ga含量的增加,磁畴尺寸变小,形态越来越不规则.2.3 热处理工艺根据Fe Ga合金的相图[8],Ga原子质量分数在15%~30%变化时,不同的制备条件下会出现A2, DO3,L12,B2及DO19等多种相结构,通过不同的热处理工艺可以改变合金的性能.Kaw am iy a N.等人[24]研究Fe83Ga17合金时发现,在570 以上该合金为无序的bcc结构,从高温缓冷至室温,合金进入由无序的bcc结构和有序的L12结构组成的两相区,L12为有序的面心立方Fe3Ga相结构,由于L12相的析出过程非常缓慢,因此合金的相结构为亚稳DO3相结构.Ikeda等人[25]利用常规的扩散偶技术通过TEM,SEM和EDS等测试手段绘制了富Fe部分的Fe Ga相图,并确定了各个相之间的相互转变温度,为热处理提供了参考依据.韩志勇等人[18]对热处理后炉冷和淬火冷却至室温后的Fe83Ga17合金进行了中子衍射及差热分析,且研究了相结构变化对Fe83Ga17合金磁致伸缩性能的影响.结果表明:经淬火处理的样品磁致伸缩系数明显增大,并且随着压力的增加而增大,在25M Pa预压力的作用下,饱和磁致伸缩系数达到了32 10-5;中子衍射实验结果表明,Fe83Ga17在自高温冷却至室温过程中,在炉冷冷却过程中出现了DO3相结构,在淬火处理快速冷却至室温的过程中,DO3相被有效地抑制了.Sr isukhumbow ornchai等人[8]利用铸态的多晶Fe72.5Ga27.5合金,研究多晶相与磁致伸缩性关系时发现:该合金在730 下保温220h后得到 相,比875 下淬火得到的A2相的磁致伸缩略有降低;在650 下保温400h后得到DO19相,材料表现出很小的磁致伸缩性能;在500 退火72h、再在300 下退火266h后得到L12相,这时发现合金的磁致伸缩系数为负值.3 结 语从目前的研究可知,Fe Ga合金材料的磁致伸缩性能不如Terfenl D合金及NiMnGa合金的磁致伸缩性能.所以,现在的关键问题是如何提高Fe Ga 合金材料的磁致伸缩性能及对影响磁致伸缩性能的因素进行研究.由于微观结构对材料性能起决定性地作用,目前对Fe Ga合金材料微观组织结构方面及力学性能方面的研究比较少,缺乏理论模型及系统性.因此,在微观组织结构及力学性能方面还需要进行大量地研究.热处理工艺对Fe Ga合金的相组织有较大地影响,应进行系统地研究,为以后的生产应用打下基础.参考文献:[1]刘国栋,李养贤,胡海宁,等.甩带Fe85Ga15合金的巨磁致伸缩研究[J].物理学报,2004,53(9):3191.[2]李勇胜,张世荣,杨红川,等.Fe G a合金磁致伸缩材料的研究进展[J].稀有金属,2006,30(5):667 670.[3]K 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[20]江洪林,张茂才,高学绪,等.快淬Fe83Ga17合金薄带的显微组织和磁致伸缩性能[J].金属学报,2006,42(2):177.[21]NA S M,FL A T A U A B.M ag neto st riction and sur faceener gy induced select ive gr ain g ro wth in r olled g alfenol doped with sulfur[J].Smart Structures and M ater ials 2005:Active M aterials:Behav ior and M echanics,2005,5761:192.[22]W U T T I G M,LIY A N G D,JA M ES C.Elasticit y andmag neto elasticity of Fe Ga solid so lutio ns[J].A pplied P hysics Letter s,2002,80:1135.[23]BAI F eiming,L I Jiefang,V IEH LA N D D,et al.M agnetic for ce micr oscopy investig atio n o f domain struc tures in F e x at.%Ga sing le cr ystals(12<x<25)[J].Jour nal of A pplied Physics,2005,98:023904. 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磁致伸缩材料的制备与力学性能研究
磁致伸缩材料的制备与力学性能研究磁致伸缩材料是一类特殊的材料，它具有在外加磁场作用下产生形变的特性。
这种材料的制备与力学性能研究一直是材料科学领域的热点之一。
本文将从材料制备、力学性能测试以及应用领域等方面，探讨磁致伸缩材料的制备与力学性能研究。
首先，磁致伸缩材料的制备是研究的基础。
目前，常见的磁致伸缩材料主要有镍、钴和铁等金属及其合金。
制备方法可以通过熔炼、电化学沉积、溶胶-凝胶法等多种方法进行。
其中，电化学沉积是一种常用的制备方法，它能够控制材料的成分和形貌。
制备的磁致伸缩材料需要具备较高的晶格畸变和畸变强度，以增强其磁致伸缩效应。
其次，力学性能测试是评价磁致伸缩材料性能的重要手段。
常见的力学性能测试方法有拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等。
这些试验能够评估材料的力学性能指标，如强度、韧性、硬度等。
通过力学性能测试，可以了解材料在外力作用下的变形和破坏行为，为后续应用提供依据。
此外，炎热环境下的力学性能测试也是必要的，以评估材料在高温环境中的稳定性和可靠性。
第三，磁致伸缩材料的应用领域多种多样。
其中，磁致伸缩材料在精密定位系统中的应用尤为广泛。
通过控制磁场的强弱，可以实现微米级别的位移调节，用于光学器件的对准、探测器的调谐等。
此外，磁致伸缩材料在智能机械领域也有广泛应用。
材料的磁致伸缩特性可以作为机械传动和控制的方式，实现机构的远程操控和运动控制。
此外，磁致伸缩材料在医疗器械、航空航天等领域也有广泛应用。
总之，磁致伸缩材料的制备与力学性能研究是材料科学领域的研究热点。
通过合理选择制备方法和实施力学性能测试，可以获得具有良好性能的磁致伸缩材料。
这些材料在精密定位系统、智能机械等领域都有重要的应用价值。
随着科技的发展，磁致伸缩材料的研究将会得到更加深入的探索，并为实际应用带来更多的创新和突破。
稀土超磁致伸缩功能薄膜材料的特性及应用研究进展
2
稀土超磁致伸缩功能薄膜的特点
稀土超磁致伸缩功能薄膜材料除了具有基体材
料的所有特点以外 , 还具有: 型化
[ 1 4]
最大优势是器件微
[ 1 6]
, 它能作为执行机构与其它微型传感元件、 ;
信息处理元件和控制元件组合, 实现集成化
用稀土超磁致伸缩功能薄膜制成的元器件的驱动是 无接触式的 , 靠外加磁场驱动; ! 稀土超磁致伸缩 功能薄膜比基体材料位移量大
3
稀土超磁致伸缩功能薄膜的应用
稀土超磁致伸缩功能薄 膜材料的优点 决定了
其在微机电系统中有着不可估量的 前景。用这种 功能材料制成的微型驱动器主要有 2 个方 面的优 2006 年 第 9期 ∃ 61 ∃
%新技术新工艺& ∃ 材料与表面处理技术
点:
这种驱动器是由正的 稀土超磁致 伸缩功能 这种
有负磁致伸缩效应的 Sm Fe 。该微泵的流量可以通 过调整磁场的频率来调节 : 当超磁致伸缩功能薄膜 向上偏转时 , 泵的入口打开, 液体流入泵内 ; 当磁致 伸缩功能薄膜向下偏转时, 泵的出口打开 , 液体将以 一定的压力流出泵。当外加 磁场的频 率为 2 kH z 时 , 该微泵的输出流量可达 10 L / m m, 出口压力可 达 100 P a
等性能, 其优良的特性和广泛的应用前景在国际范围内得到普遍重视, 已经成为超磁致伸缩材料研究的重 点。 本文介绍了稀土超磁致伸缩功能薄膜的特点 , 重点阐述了超磁致伸缩功能薄膜材料在流体控制系统、 线性超声马达和微小行走机械等领域的研究成果及其应用, 并对稀土超磁致伸缩功能薄膜材料在国内的 发展前景进行了展望。 关键词: 稀土; 超磁致伸缩; 功能薄膜 ; 应用 中图分类号: T G14 文献标识码 : A 目前 , 随着器件集成化 程度越来越高 , 器件日 趋薄膜化、 微型化 , 各 种设备、 仪 器也 逐渐形 成整 体微型化的趋势。但在设备整体微 型化的过程中 遇到了驱动机构、 控制机构、 执 行机构等微型化的 困难。稀土超磁致伸缩功能薄膜材 料的出现为此 难题提供了一种解决方法。稀土超 磁致伸缩功能 膜材料是以稀 土超 磁致伸 缩材 料 ( 以 下简称 体材 料) 为靶材 而制备 的一种 功能薄 膜。典型的 稀土 超磁致伸缩功能薄膜材料 包括 ( T b, Dy ) F e 薄膜系 列和 Sm F e 薄膜。
超磁致伸缩材料发展动态与工程应用研究现状
ＡｂｔａｔＴ ｅｏ ｔ ｕｒ ｔ ｓｕｔ ｎ ｏ ｉ ｔｍ ｇｅ ｓｉ ｉ ａ ｒ ｌ （ ＭＭ） ａ ｈｍｅ ａｄ ａ ｒａ ，ｔｅ ｓ ｃ： ｏ ｒｐ￣ ｈ ｃｒ ｎ ｉ ａｏ ｆ ｇ ｎ ａｎｔ ｔｃ ｖ ｍ ｔ ａ ｒ ｅ ｅ ｔ ｉ ａ ｏ ｒｔｅ ｅ ｓ Ｇ ｉ ｔ ｏ ｎ ｂｏｄ ｈ
基础上 ， 较全面地介绍 了国内外超磁致伸缩材料在各工程领域的应 用以及发展 状况。通过分析其历史沿革和最新成果 ，
对 未 来的发 展 方向 进行 了展 望 ， 对其 应 用 潜 力领 域进 行 了预测 。 图 ２参 ２ 并 ６ 关 键 词： 材料 学 ； 磁 致 伸 缩材 料 ； 状 ； 用 ； 超 现 应 Ｙ 方 向 Ｅ展 文 献标 志 码 ： Ａ 文 章 编号 ：０５２ ９ （０ １ ０ －１６０ １０ －８５ ２ １ ） １ １－４ ０ 中 图分 类 号 ：
第２ ９卷 第 １ 期 ２ １ ２月 ０ １年
ｈ 如ｄ ｔ 咖
轻 工 机 械 Ｍａ ｈｎ ｒ ｃ ｉｅｙ
Ｖｏ ｜ ９ Ｎｏ １ ｌ２ ． Ｆｂ２ １ ｅ ． ０１
［ 综述 ・ 专论］
Ｄ Ｉ ０３６／ ｉｎ１ ５ ８５２１．１ Ｏ： ． ９ ．ｓ． ０— ９． ０ １ ９ ｊｓ ０ ２ ０１
ｄｅ ｅｏ ｍｅ ａ ｉｔｒ ｆ ＧＭＭ ｓ ｒ ｖｅ ｄ ａ ｄ ｉｓ ｇ ｏ ｅ ｏｍａ ｅ ｉ ｅ ｃ ｂ ｄ． Ｔ ｅ ｓａｕ ｕ ｆ ａ ｐ ｉａｉｎ ａ ｄ ｖ ｌｐ ｎｔｌｈ ｓｏ ｙ ｏ ｉ ｅ ｉｗｅ ｎ ｔ ｏ ｄ ｐ ｒ ｒ ｎｃ ｓ ｄ ｓ ｒ ｅ ｆ ｉ ｈ ｔｔ ｓ ｑ ｏ ｏ ｐ ｌｃ ｔｏ ｎ ｄｅ ｅｏ ｍｅ ｔｏ ｖ ｌ ｐ ｎ ｆＧＭＭ ｎ ｄｆｅ ｅ ｔｅ ｇｎ ｅｉ ｇ ｆ ｌ ｓａ ｏ ｎ ｂ ｏ ｄ ｉ ｒ ｓ ｎ ｅ ｙ ｔｅ ｓ ｒ ｅ ｙ ｔｍａｉａｌ ．Ｔｈ ｉ ｉ ｒｎ ｎ ｉｅ ｒｎ ｅ ｄ ｔｈ ｍｅ ａ ｄ ａ ｒａ ｓｐ ｅ ｅ ｔｄ ｂ ｕ ｖ ｙ ｓ ｓｅ ｔｃ ｌｙ ｆ ｉ ｈ ｅ ａ ｐ ｉａ ｉｎ ａ ｄ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｆＧＭＭ ｎ ｆ ｔ ｒ ｓ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｈ ｅ ｆ ｌｓ ｗｈ ｒ ｐ ｌ ｔ ｎ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｏ ｃ ｏ ｉ ｕ ｕ ｅ ｉ ｉｃ ｓｅ ．Ｔ ｅｄ ｅ ｅ ＧＭＭ ａ ｕ ｅ ｐ ｔｎ ｉｌｕ ｅ ａ ｅ ａｓ ｉ ｈ ｓ ａ ｈ ｇ ｏ ｅ ｔａ ｓ ｒ ｌｏ
磁致伸缩材料的特性及应用研究_
第30卷 第1期2001年 2月 稀有金属材料与工程RA R E M ETAL M A T ER I AL S AND EN G I N EER I N G V o l .30,N o 11 February 2001磁致伸缩材料的特性及应用研究( )胡明哲 李 强 李银祥 张一玲(武汉理工大学 武汉 430070)摘 要 总结了磁致伸缩材料的发展及其在器件方面的应用,对该材料的各种性能作了阐述并与Pb (Zr ,T i )O 3(PZT )压电材料进行了比较。
报道了武汉理工大学开展的超精微致动器和磁场光纤传感等方面的研究并对该材料今后的应用进行了展望。
关键词 超磁致伸缩材料 致动器 传感器中图法分类号:TM 271 文献标识码:A 文章编号:10022185X (2001)0120001204314 力学传感领域利用磁致伸缩材料的V illari 和A n ti 2V iedem ann 效应,可以用来做力学传感器,测量静应力、振动应力、扭转力和加速度等物理量。
31411静应力传感领域利用应变而导致磁特性的变化从而输出电压发生变化的现象,用于磁应变传感器检测料斗的料位[38]。
把测力器放在料斗支撑部位,当有负载(传感器自重加上内装物重)加上时,传感器端子间就产生与此成比例的输出电压及信号,经放大比较后自动触发上 下限位开关从而实现料位的在线监测和实时控制。
31412振动、冲击应力传感器领域在机器人领域中,通常的磁致伸缩器件原型有3种,如图6所示,其中图6c 是运用了磁场平衡原理。
当传感器处于受力状态时,x 方向和y方向上的磁场图6 磁致伸缩型传感器的结构原理F ig 16 Configu rati on s of m agnetoelastic sen so r :(a )choke type ,(b )tran sfo rm er type ,and (c )tran sfo rm er 2p ressducto r type不再均匀分布,这样就会在输出线圈中产生磁通,激发线圈上成正例的2次电压信号。
磁性材料的研究进展及其发展方向
总第149期2005年第5期河北冶金H EB EI M ETALLU R G YTo tal 1492005,N um ber 5收稿日期:2005-05-06磁性材料的研究进展及其发展方向丁占来1,岑 玮2,于旭光1(11石家庄铁道学院 材料科学与工程系,河北 石家庄 050043;21河北省冶金研究院,河北 石家庄 050031)摘要:介绍了软磁材料、硬磁材料、磁力学材料、磁电子材料四种磁性材料的近期研究进展、每种材料的主要性能以及调控这些性能的主要方法,分析了纳米永磁材料、非晶体磁纤维、铁磁形状记忆合金、巨磁阻材料等的现状及其发展方向。
关键词:磁性材料;硬磁;软磁;纳米磁体中图分类号:T M271 文献标识码:A文章编号:1006-5008(2005)05-0015-04RESEARCH PROGRESS AND DEVELOP I N G TREND OF MAG NETI C MATER I A LD I N G Zhan -lai 1,CE N W ei 2,Y U Xu -guang1(1.Material Science and Engineering Depart m ent,Shijiazhuang Rail w ay I nstitute,Shijiazhuang,Hebei,050043;2.Metallurgy Research I nstitute of Hebei,Shijiazhuang,Hebei,050031)Abstract:The latest research p r ogress on f our kinds of magnetic material:s oft,hard,magnetics and magnetic electr onic is intr oduced as well as their main p r operties and main methods t o adjust and contr ol the p r operties,it is analyzed the p resent situati on and devel op ing trend of NM per manent magnetic material,non -crystal mag 2netic fiber,ferr omagnetic mar men,giant magnetic resistance material .KeyWords:magnetic material;hard magnet;s oft magnet;NM magnetic base1 前言磁性材料广义上分为两大类:软磁材料和硬磁材料。
巨磁致伸缩材料及应用研究进展-中国材料进展
!第"#卷!第$期%&#%年$月中国材料进展'()*+,(-./0,1(2345"#!135$(675%&#%收稿日期 %&#%8#9基金项目 科技部:9"计划项目 %&#%/;<#:$&$ 作者简介 刘敬华 男 #:9=年生 博士 讲师通信作者 蒋成保 男 #:<=年生 教授 博士生导师巨磁致伸缩材料及应用研究进展刘敬华 张天丽 王敬民 蒋成保北京航空航天大学材料科学与工程学院 北京#&&#:#摘!要 巨磁致伸缩材料是%&世纪9&年代发展起来的新型功能材料 具有应变大 能量转换效率高等优点 在功能转换智能驱动 智能传感等高技术领域有重要应用 简要介绍了磁致伸缩及巨磁致伸缩材料的发展历史 从稀土巨磁致伸缩材料 非稀土巨磁致伸缩材料的合金化研究 制备技术和应用技术等方面综述了我国巨磁致伸缩材料的发展历程 介绍了我国的科研工作者在巨磁致伸缩材料研究领域所取得的重要研究成果 最后对巨磁致伸缩材料发展及应用进行了展望关键词 巨磁致伸缩材料 磁致伸缩 合金化 制备 应用中图分类号 >$=%5?$ );"$!!文献标识码 (!!文章编号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前!言巨磁致伸缩材料是一种新型金属智能材料 具有磁致伸缩应变大 磁8机械耦合系数高 能量密度高 承受压应力大 响应速度快 可靠性好 驱动方式简单等综合优点 在航空航天 机械电子 环境能源 交通运输等领域有重要应用背景巨磁致伸缩材料的研究 始于%&世纪<&年代 在稀土金属中发现了&\附近#&8"量级的磁致伸缩#比[L 1B 等传统磁致伸缩合金高出数百倍 在此基础上 人们在!H C 合金系中开发了)M]T H C 和)MI RH C 低温巨磁致伸缩材料 % #:9%年 /4G 7^等在![L %合金系中开发出具有低磁晶各向异性的室温巨磁致伸缩材料)M]T [L %.K ]T [L %等 "其中)M "]T #8"[L #"_&5%9`&5" #_#5:`#5:? 合金具有最佳的室温性能 被称为)L 7O L C34Z ]合金$8?%&&&年以来 /4G 7^等人发现了[L I G [L ;L等新[L 基非稀土磁致伸缩材料 具有低场大磁致伸缩和良好的力学性能 <89 其中[L I G 合金被命名为I G 4O L C34合金发展到今天 巨磁致伸缩材料已经形成一类重要的金属智能材料 并引发了电子信息系统 传感系统 振动系统等高技术的革命性变化 在巨磁致伸缩材料的发展过程中 我国的科研工作者取得了一批重要的研究成果 本文主要综述我国在稀土巨磁致伸缩材料和新型非稀土巨磁致伸缩材料的基础研究及应用研究方面的进展!稀土巨磁致伸缩材料5 ! 磁致伸缩材料的合金化研究在单晶)L 7O L C34Z ]中用(4取代[L 使其晶格常数增加 居里温度降低 各向异性补偿温度提高%&\ ###从#5&#a #&8"增加到#5?$a #&8" = 添加少量;可以有效抑制对磁致伸缩有害的![L "相形成 进而提高合金的磁致伸缩性能 : 'C 取代[L 虽然合金的相组成仍然是主相-G S L Q 相和少量富稀土相 但饱和磁致伸缩Q 饱和磁化强度$Q 和磁晶各向异性%#降低#&中国材料进展第"#卷用b 7取代)M 或]T 使各向异性补偿成分点向高)M方向移动#成分为)M &5%?]T &5<?b 7&5#[L #5=?的合金磁致伸缩达到最大值(##)%对]T &59%8")M "b 7&5"![L &5:;&5#"#5:"!&!"!&59&"合金#"从&5#?增加到&5%?#易磁化方向从c #&&d 轴向c###d 轴转变%具有单相-G S L Q 相的)M &%?]T &5$?b 7&5"![L &5:;&5#"#5:"合金在室温具有大的自发磁致伸缩! ###"#=?&a #&8<"和低的各向异性(#%)%(4#I G #/7#'C 等元素取代)M &5%?]T &5<?b 7&5#[L #5=?中的[L 均能保持-G S L Q 相结构#但居里温度和磁致伸缩性能下降(#"8#?)%b 7含量高达稀土总量=&e 的!)M &5%b 7&5="Z![L &5$/3&5<"#5:"8";"磁致伸缩合金(#<)#其-G S L Q 相的居里温度和晶格常数随硼含量的增加而增加#少量的硼能降低合金的磁晶各向异性#从而改善室温低场磁致伸缩性能%北京航空航天大学通过改变)M[L %和]T [L %的比例#同时添加高居里温度元素/3(#98#:)#同步实现了易轴转变温度的降低和居里温度的提高#从而显著拓宽了材料磁致伸缩性能优异的菱形相区#成功研制了宽温域巨磁致伸缩合金#在8=&`f #&&g 范围内都保持了高的磁致伸缩性能!如图#所示"#温度系数是传统)M &5"]T &59[L #5:?合金的#h "%此外#研究表明#添加/3并没有改变合金的易磁化方向#超精细电子结构研究揭示了/3元素添加导致"R 电子层填满状态的改变(%&)%图#!)M]T [L /3合金在8=&g #"&g 和#&&g 的磁致伸缩曲线[B D 5#!'G D CL P 3Q P 7B N P B 3C N F7S L Q 3O )M]T [L /3G 443T Q K L G Q F7L RG P8=&g #"&g G CR #&&g)M]T [L 合金的电阻率过低#仅仅为<&!"*N K #即使在低频下也会有涡流发生#严重限制了其实际应用%.B 元素添加能大幅提高其电阻率%.B 含量为"_&5&%?和"_&5#的铸态合金电阻率比未添加.B 的)M]T Z [L 三元合金分别提高了<<e 和:9e #而c ##&d 取向晶体的电阻率略小于铸态(%#)%此外#在.B 合金化的基础上#通过合理的成分设计#实现了合金元素选择性分布控制#使合金保持主相-G S L Q 相不变以保证大磁致伸缩效应#同时.B 元素选择性地进入富稀土!相可提高耐腐蚀性#从而开发了耐腐蚀巨磁致伸缩材料(%%)#在磁致伸缩性能基本相当的情况下#耐腐蚀性能提高#&倍!如图%所示"%电极化曲线和阻抗测量表明#腐蚀电流下降?倍#阻抗提高#倍%第一原理计算结果表明#.B 元素添加使稀土元素费米面附近电子能量显著降低#从而降低了腐蚀速率%图%!在"5?e1G /4水溶液中的浸泡实验表明#)M]T [L .B 合金比)M &5"]T &59[L #5:?合金的耐蚀性明显增强[B D 5%!J L B D EP 43Q Q N F7S L Q 3O )M]T [L .B G 443T S Q Y )M &5"]T &59[L #5:?G 443T B C "5?e 1G /4Q 34FP B 3C)M]T [L 合金的磁致伸缩性能具有较宽的滞后特征#主要来源于其较大的磁晶各向异性能%添加03可有效降低合金的磁晶各向异性能#进而显著降低磁致伸缩应变滞后磁场(%"8%$)%合金依然具有-G S L Q 单相结构#晶格常数随03含量增加而减小%在03含量小于&5"e 时#通过调整)M 和]T 元素的比例#)M]T [L 03合金在较宽的温度范围均具有窄滞后巨磁致伸缩特性%"5"!)*'(体系磁致伸缩材料的合金化研究钢铁研究院戴礼智等人是我国开展磁致伸缩材料研究的先驱之一#他们在.K Z [L 合金中加入'3和2#用i 射线衍射研究了合金中-G S L Q 相金属间化合物的磁致伸缩与结构之间的关系以及在磁致伸缩上引起的晶格畸变(%?)%稀土元素取代.K 元素对.K [L 合金的内禀性能及磁致伸缩性能影响显著%对于.K #8"]T "[L 合金#当"c &5#?时易磁化方向为c ###d #当"d &5$时易磁化方向为c#&&d #合金的磁致伸缩随]T 含量的增加而降低(%<)%b 7取代.K 后.K #8"b 7"[L %的磁致伸缩在"_&5#时出现峰值(%98%:)%少量1R 取代.K 明显提高合金的负磁致伸缩! #8 $_8%#=9a #&8<"!如图"所示"("&8"#)%用/3#'C #(4等元素取代低场性能较好的.K &5==Z ]T &5#%[L %中的[L 元素#均降低了合金的磁致伸缩("%8"")%"5+!稀土巨磁致伸缩材料的理论研究杨森等采用同步辐射i 射线技术系统研究了)M/3%Z%!第$期刘敬华等'巨磁致伸缩材料及应用研究进展图"!.K #8"1R "[L #5??合金在不同磁场强度下的磁致伸缩曲线[B D 5"!'G D CL P 3Q P 7B N P B 3C N F7S L Q 3O .K #8"1R "[L #5??G443T Q B C RB O O L 7L CP G 664B L R K G D CL P B N O B L 4RQ]T /3%合金体系的结构和性能("$)#发现自旋再取向温度是以c ###d 方向为易轴的菱形相和以c &&#d 方向为易轴的四方相这%个准同型相的相界表示的!如图$所示"#准同型相界成分合金呈现两相共存的状态#磁晶各向异性达到完全补偿的最小值#测量结果显示磁滞后最小#而磁致伸缩性能较邻近成分的合金有一跃升#铁磁性材料中准同型相界的发现为设计新型磁致伸缩材料提供了新思路%图$!)M/3Z ]T /3合金相图及不同相区的同步辐射i +][B D 5$!b EG Q LRB G D 7G K 3O )M/3%Z ]T /3%!G"G CR Q T CN E73P 73C i +]6G P P L 7CQ 3O N FMB N6G 7G K G D CL P B N6EG Q L #7E3K M3EL R7G 4O L 773Z K G D CL P B N 6EG Q L G CR P L P 7G D 3CG 4O L 773K G D CL P B N 6EG Q L !M ")M]T [L 合金磁致伸缩的饱和值及其磁滞特性均具有明显的压应力相关性#如图?所示%对于)M]T [L 巨磁致伸缩合金中的初始磁畴位置普遍认为是仅仅在晶面内沿着易轴方向与压应力方向垂直#这难以解释饱和磁致伸缩随压应力而增大的现象%近期研究表明(##&)取向的)M]T [L 晶体垂直于应力方向的晶面中存在的应力性各向异性#会改变初始畴的构型("?)%随着压力的增大#!##&"晶面内初始磁畴从c ###d 方向转向c ##&d 方向#因而饱和磁致伸缩提高%(##&)取向的)M]T [L 取向晶体#其磁滞!磁致伸缩滞后磁场"从&'b G 的""a !#&"h $#"(*K 8#增加到"&'b G 的9&a !#&"h $#"(*K 8##而加压到#%&'b G 磁滞只有#<a !#&"h $#"(*K 8#%基于唯象理论的研究表明#磁畴旋转的不可逆性是产生滞后的根源%在低压应力范围内#随压应力增大#更多的磁畴转至应力垂直面#成为:&j 磁畴#而在磁晶各向异性能占主导的低压力阶段磁化过程中:&j 磁畴不可逆转至外场方向#压力增大#:&j 磁畴体积分数增多#因而磁致伸缩滞后增大%当所有磁畴在压应力作用下转至应力垂直面#:&j 磁畴体积分数达到#&&e #磁致伸缩滞后达到最大#继续增大压应力#磁弹性能在自由能分布中占主导地位#减小并最终消除了:&j 磁畴旋转的不可逆性#因而磁致伸缩滞后随压力继续增大而逐渐减小("<)%"5,!稀土巨磁致伸缩材料的制备技术%5$5#!稀土巨磁致伸缩材料取向晶体和单晶用定向凝固工艺#主要有提拉法$坩埚下降法和区熔法#制备出稀土巨磁致伸缩材料取向晶体或单晶是实现其优异磁致伸缩特性的关键%中科院物理所采用冷坩埚提拉法成功制备出)M]T Z [L (4#)M]T [L 'C c ###d 无孪晶单晶体("98"=)#从消除了孪晶界对磁畴钉扎作用的角度提高了合金的磁致伸缩%北京科技大学利用低温度$梯度水平炉#获得了c ##"d 轴向取向的稀土超磁致伸缩材料(":)%钢铁研究总院和有色金属研究总院采用一步法制备工艺#将熔炼$坩埚下降法晶体生长$热处理集成到一套系统中#实现了材料的量产%北京航空航天大学采用无坩埚的悬浮区熔法成功制备了c ##&d 取向)M]T 03[L 单晶体(%")#生长的固液界面为凸平面#该晶体具有优异的磁致伸缩性能#在8<&g 和#?g #外加磁场仅为?&K )时#该单晶体的磁致伸缩性能分别达到##&&a #&8<和#&?$a #&8<%使用有坩埚的定向凝固#可以避免表面张力的影响#有利于制备沿轴向性能均匀的大尺寸)M]T [L 合金取向晶体%北京科技大学和北京航空航天大学利用区熔法制备出c ##&d )M]T [L 取向晶体#北京航空航天大学制备出直径超过<&K K 的c##&d 和c##%d 取向)M #]T #8#![L #8"&""%!&_'C #/3"晶体%取向晶凝固形态为树枝状#生长速度越高#片层结构越窄%在预压力低于#&'b G 时#低磁场中室温和低温的c ##%d 取向磁致伸缩系数更大#高温时c ##&d 取向磁致伸缩系数更大($&8$")%磁场下的取向凝固#国外报道了在微重力条件下同时施加外磁场制备出c ###d 取向的)M]T [L 晶体#磁致伸缩系数可达%%&&a #&8<!'_#5?)"($$)%磁场也可以"中国材料进展第"#卷有效抑制热和溶质的传输 充分发挥扩散作用 同时在冷却过程中在材料内部感生磁有序 上海交通大学在常规重力条件下 通过施加更大的静磁场 #$&K) 获得9&e的c###d取向的)M]T[L凝固组织 $?图?!不同压应力下)M]T[L合金磁致伸缩和磁致伸缩滞后模拟[B D5?!)EL Q B K F4G P L R Q G P F7G P B3C K G D CL P3Q P7B N P B3C G CR K G D CL P3Q P7B N P B3C ET Q P L7L Q B Q FCRL7RB O O L7L CP N3K67L Q Q B S L67L Z Q P7L Q Q L Q%5$5%!稀土巨磁致伸缩薄膜材料稀土巨磁致伸缩材料薄膜具有良好的软磁特性 尤其在低场下磁致伸缩性能显著提高 是微型作动器和传感器的理想材料 制备稀土巨磁致伸缩材料薄膜的方法有磁控溅射 分子束外延 离子束溅射 离子镀等 人们通常采用磁控溅射法制备巨磁致伸缩材料薄膜 巨磁致伸缩材料薄膜分为单层膜和多层膜 采用直流磁控溅射可以获得非晶态)M]T[L薄膜 经$&&g热处理后沿薄膜表面的易磁化方向表现出磁各向异性 $<8$9 在沉积过程中加入预应力能明显提高磁各向异性为进一步提高巨磁致伸缩材料的软磁特性和低场特性 发展了巨磁致伸缩材料多层膜 多层膜一般是由巨磁致伸缩材料与其它软磁材料 如[L [L1B [L;[L/3等 交替沉积而成 每层薄膜的厚度小于磁交换长度 在磁场作用下 由于不同膜层之间的交换耦合作用 提高了平均饱和磁化强度 使多层膜的饱和磁场大幅减小 具有良好的软磁特性 $=%5$5"!烧结稀土巨磁致伸缩材料其制备方法是将一定成分的母合金破碎成粉末 在模具中压制成型 然后在保护气氛下烧结制成样品 北京科技大学从:&年代初开展了)M]T[L合金粉末冶金工艺及其对磁致伸缩性能影响的研究 主要结果包括各工艺参数对烧结态)M]T[L合金的组织 结构 密度及磁致伸缩性能的影响规律等 $:8?& 实验表明 粉末压型时的磁场取向和后续样品的磁场热处理对提高材料磁致伸缩性能具有非常重要的作用 通过这些手段制得的烧结)M]T[L合金样品为c###d取向的多晶体 其最大磁致伸缩应变可达#$&&a#&8< 样品具有明显的压力效应%5$5$!稀土巨磁致伸缩粘结复合材料针对稀土巨磁致伸缩材料力学性能差 不易加工以及在外加高频交变磁场作用下涡流损耗严重的问题 人们发展了巨磁致伸缩颗粒与树脂混合的复合材料研究表明 颗粒大小 磁场取向以及树脂粘度均对复合材料的磁致伸缩性能有重要影响 采用较大的)L7ZO L C34Z]颗粒和较低的树脂粘度有望获得较高磁致伸缩性能 在磁场下成型可以提高颗粒的择优取向度 进而提高复合材料的磁致伸缩性能 此外 固化温度对粉末$!第$期刘敬华等'巨磁致伸缩材料及应用研究进展粘结材料的密度及抗压强度有明显影响(?#)%将)M #8"]T "[L %合金粉末与粘结剂在模压压力为##%'b G 下制成 #&K Ka %&K K 或 #&K Ka $&K K 的棒状样品%研究表明#当"_&59时#合金具有较好的磁致伸缩性能%棒状)M &5"]T &59[L %合金在0_%&&^(h K #%:"\条件下的磁致伸缩约为<&&a #&8<#磁机械耦合系数最大值为&5$#动态磁致伸缩系数为%5<:CKh (#增量磁导率(""为%5=$(?%)%在%&&^(h K 静磁场下加压=&&'b G 获得了.K ]T [L h 树脂粘结复合材料#其磁化行为和磁致伸缩均表现出明显的压应力效应(?")%用颗粒尺寸9$`#?&!K #质量分数为:&e 的)M]T [L 合金颗粒制备出的复合材料在$&&^(h K 磁场下磁致伸缩性能可达9%"a #&8<(?$)%与)M]T [L 取向晶体相比#复合材料的电阻率提高了?个数量级#在"%59K )偏置磁场下声速降低#h "以上#涡流损耗因子在%a #&?0X 条件下的降幅超过:&e #在#a #&90X 的高频条件下仍可降低近?&e %采用直径为%&&`"&&!K 的)M]T Z [L 单晶颗粒#与树脂混合并在磁场取向中固化#获得了颗粒c ###d 方向定向排布的高性能粉末粘结巨磁致伸缩材料%合金颗粒在树脂中成近链状排列#如图<所示%材料在#9'b G 压力下在磁致伸缩系数达到#"<&a #&8<(??)%图<!!G "未磁场取向和!M "=&&&a !#&"h $#"(*K 8#磁场下取向的金相照片[B D 5<!)7G CQ S L 7Q L Q L N P B 3C K B N 73D 7G 6EQ 3O P EL N 3K 63Q B P L Q N F7L R G PP EL G 664B L R K G D CL P B N O B L 4R !G "&a !#&"h $#"(*K 8#G CR !M "=&&&a !#&"h $#"(*K 8#%5$5?!稀土巨磁致伸缩材料的表面改性北京有色金属研究总院采用辉光放电离子渗氮方法研究了表面氮化对!)M #]T "[L %稀土磁致伸缩材料的耐腐性能$表面机械性能及磁致伸缩性能的影响(?<)%结果发现'通过表面离子渗氮处理#可显著改善材料耐腐性能#材料表面硬度由?=9&'b G 提高到<%%&'b G #耐磨性能也大幅提高#并且材料磁致伸缩性能几乎未受影响%研究表明#表面离子渗氮是一种适用于稀土超磁致伸缩材料表面改性的方法%+!非稀土巨磁致伸缩材料近年来#科技工作者们开发出一种综合传统磁致伸缩合金和稀土磁致伸缩合金二者优点的新型磁致伸缩材料#既具有良好的力学性能又有较大的磁致伸缩性能%%&&&年#美国学者/4G 7^博士发现非磁性原子I G 的添加可以将[L 的磁致伸缩系数提高#&倍以上#引起了人们极大的关注%该材料具有低饱和磁场$高磁化强度$良好的力学性能和可加工性等#最近的应力退火研究表明#该材料可以同时应用在拉应力和压应力场合%[L I G 合金的这些特性将会拓展磁致伸缩材料在作动$传感和能量采集等方面的应用%i B CD 等人在对[L I G 合金成分及热处理过程对磁致伸缩性能的影响进行了规律性研究后#确定了磁致伸缩性能同I G 原子含量的关系曲线如图9所示(?9)#并按照合金相结构划分为$个部分'#区中的[L I G 合金在淬火条件下为无序的(%单相#磁致伸缩随I G 原子含量增加而升高#淬火态#:e !原子分数"I G 的!"h %" #&&可达到$&&a #&8<&$区为(%同]&"的两相混合区#该区域中磁致伸缩随I G 含量升高而下降&进入%区后#合金形成]&"单相#性能再次提高#当I G 原子含量为%95?e 时#由于弹模软化的结果#可以获得很高的磁致伸缩&而当I G 原子含量超过%=e 后!&区"出现不利于磁致伸缩性能的第二相#导致性能随之大幅下降%JF 采用全电势线性缀加平面波方法对[L I G 合金的磁性及磁致伸缩进行了第一原理计算#]&"#;%Z 4B ^L 及-#%"种晶体结构的磁致伸缩系数 #&&的计算值分别为8#&9a #&8<#f "=&a #&8<和8%:=a #&8<(?=)%对于[L Z I G 合金产生大磁致伸缩的原因#JF 在文章中指出#这是由[L 原子非简并的R ")和R #)轨道下自旋间的自旋轨道耦合效应所引起的#但两者的强烈作用是如何导致[L Z I G 合金产生大磁致伸缩仍未清楚%-3D 7G Q Q 3等人根据I G 原子添加后引起的[L I G 合金磁致伸缩性能较 Z [L 提高的部分#同I G 原子含量的平方成线性正比关系这一实验结论#预测在[L I G 合金中存在'3RB O B L RZ ]&"晶体结构#或可以称之为;%Z 4B ^L 结构(?:)%JFP P B D (<&)和/F44L C (<#)认为这种结构的本质是沿?中国材料进展第"#卷&&# 方向排列的I G Z I G 原子对 [L =#I G #:合金i 射线吸收光谱的测试结果证明I G Z I G 原子对存在的可能性 <% 'FRB S G 7P EB <"使用小角度中子衍射方法和\L 77显微镜发现纳米团簇与基体有不同的磁化行为图9![L I G 合金 "h % #&&同IG 原子含量的关系[B D 59! "h % #&&RL6L CRL CN L 3C I G N 3CP L CP O 37[L I G G 443T Q Y./ Q 43V Z N 334B CD Jk +)Z V G P L 7lFL CN E ,Jk B N L Z V G P L 7lFL CN E 'k K L P G 44B N lFL CN E;EG P P G N EG 7T T G 等人对[L Z #:eI G 合金进行了透射电镜观察 在(%基体相中发现弥散分布的纳米级]&"相 <$ 并认为这是[L I G 合金大磁致伸缩的来源 据此\EG N EG P F7T G C <? 等人提出了另一种模型解释[L I G 合金的巨磁致伸缩 认为]&%%Z4B ^L 的四方纳米团簇是关键因素 <<8<9 ;3B Q Q L <= 等人依据该模型对[L =#I G #:合金进行了原子尺度有序和团簇的模拟 同实验得到的高分辨像基本吻合然而JF 等人根据分别对纳米级的;%Z 4B ^L 及]&"相进行第一原理计算结果 认为纳米级的;%Z 4B ^L 相具有负的磁致伸缩性能 而纳米级的]&"相仅具有非常小的正磁致伸缩性能 据此他判断基体相中的纳米级沉淀不足以产生巨磁致伸缩效应 [L I G 合金的大磁致伸缩另有起源 <:虽然关于[L I G 合金的磁致伸缩的起源还不明朗 但人们相信[L I G 合金的磁致伸缩机理研究对开发新型磁致伸缩材料将会提供新的线索国内从%&&%年陆续报道了关于新型非稀土磁致伸缩材料的研究工作 取得了重要进展 以下主要评述国内非稀土磁致伸缩材料研究结果 +5!!'(-.磁致伸缩材料的合金化研究对[L I G 进行合金化的研究 根据添加元素类别及方式 可以分为%类 ;和/7原子固溶 过渡族元素取代方式添加 9&89$[L &5=#I G &5#: #&&8";"合金在"_#时由(%相和[L %;相组成 在"_?`%&时 由(%相 -#%相和[L %;相组成 铸态 [L &5=#I G &5#: #&&8";"合金在"_#和"_#&时具有最大磁致伸缩性能 9& 淬火态合金的磁致伸缩随;含量增加先增大后减小 其中"_#&时淬火态 [L &5=#Z I G &5#: :&;#&合金的磁致伸缩性能比[L =#I G #:合金提高了=&e 分析认为;含量低时 析出[L %;相 导致[L Z I G 合金基体中'Z ]&"相中I G 含量上升 磁致伸缩提高 ;含量高时 合金出现了过多的[L %;相和-#%相 磁致伸缩下降 同时;添加 还大幅提高了[L I G 合金的室温力学性能 抗拉强度达到?$='b G 延伸率达到"5?<e 此外 如果在[L ="I G #9合金中固溶%e 的/7原子 可同时提高合金的磁致伸缩性能和室温力学性能 [L ="I G #9:=/7%合金最大磁致伸缩系数达到9&a#&8< 延伸率较[L ="I G #9合金提高&5<e 9# 少量.B I L 或.C 取代[L =#I G #:合金中的I G 原子 合金保持(%相结构 饱和磁致伸缩值变化不大 如果添加量继续增加 因出现大量[L .C I G 非磁性相 导致饱和磁致伸缩值降低 9% 在[L =#I G #:和[L =# I G #8"I L " #:合金中还发现了明显的体磁致伸缩现象 当磁场小于&5")时 合金发生的是线磁致伸缩 大于&5")时 体磁致伸缩开始发生 9" 'C 添加对[L =#I G #:合金的电阻影响较大 'C 元素的原子百分比低于<e 时 合金仍然保持立方单相 电阻率上升 居里温度下降 当'C 含量增加到=e 时 磁致伸缩出现峰值 9$ +5"!'(-.合金的磁致伸缩特性研究[L I G 合金有良好的力学性能 可进行拉伸变形 通过拉应力退火处理可以使[L ="I G #9合金中的磁晶在生长方向择优排列 [L I G 棒c &&#d 择优生长方向的磁晶各向异性和织构中多晶条形颗粒的形状各向异性方向一致 在无外应力条件下磁致伸缩达到%&&a #&8< 在压应力下 磁致伸缩值最大变化达到#=&a #&8< 9? 如图=所示[L =#I G #:合金c &&#d 取向晶体在大载荷 &`$"#'b G 条件下具有稳定的饱和磁致伸缩 如图:所示 其磁致伸缩行为随压应力呈两阶段变化规律 9< [L =#I G #:合金c &&#d 取向晶体在不同载荷下的%个阶段磁致伸缩行为具有完全不同的物理机制 在低压应力载荷下 磁晶各向异性能主导[L I G 合金c &&#d 取向晶体的磁致伸缩行为 在大压应力载荷下 磁弹性能对[L I G 合金的磁致伸缩行为起主导作用 +5+!/0基反铁磁磁致伸缩合金'CZ * *_1B /F [L 合金是一类具有反铁磁特性的磁致伸缩材料 998=& 'C $%[L ?=合金 在#)的外磁场和#5?%'b G 的压应力下具有8?=#a #&8<的磁场诱发应变 'C =?5?[L :5?/F ?5&合金中获得了8$="a #&8< `#&a <!第$期刘敬华等'巨磁致伸缩材料及应用研究进展图=
图1 磁体磁畴在外磁场作用下发生转动引起磁体尺寸发生变化示意图Fig.1 The magnetic domain under the effect of external magnetic fieldoccurrence of rotation and lead to change size magnets超磁致伸缩材料的特性及其发展应用摘要：本文介绍了超磁致伸缩材料独特的性能及其发展历程。
通过查阅大量的资料，阐述了超磁致伸缩材料在各个领域的应用及研究现状，并且对其今后的应用做了一些展望。
关键词：超磁致伸缩材料；特性；应用引言随着科学技术的发展，稀土功能材料在科学领域中的研究和应用愈发重要和广泛，特别是在国防领域中，因而稀土材料成为了各个国家的战略性资源。
我国近几年更是大力发展各种新型的稀土功能材料，这其中就包括了新型的稀土超磁致伸缩材料。
稀土超磁致伸缩材料的应用非常广泛，对发展有源减震、航天燃料喷射系统、快速阀门控制、纳米级致动器、新型声纳系统、机器人等高新技术有着重要的影响]1[。
1 超磁致伸缩材料1.1 产生磁致伸缩效应的机理在居里点温度以下时，铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积会发生微小的变化，这种现象称之为磁致伸缩效应，长度的变化是1842年由焦耳发现，亦统称为焦耳效应或者线性磁致伸缩]2[。
由于体积磁致伸缩量非常小，研究和应用都主要是线性磁致伸缩领域，所以一般的磁致伸缩也就是指线性的磁致伸缩。
产生磁致伸缩的机制是多方面的，有自发形变、场致形变、轨道耦合和自旋—轨道耦合相叠加、形状效应等原因，以下仅从场致形变的理论简单说明：在外磁场的作用下，多畴磁体的磁畴要发生畴壁移动和磁畴转动，结果导致磁体尺寸发生变化。
当磁场比饱和磁场s H 小时，样品的形变主要是长度的改变，体积几乎不变；当磁场大于饱和磁场s H 时，样品主要表现为体积磁致伸缩。
磁体磁畴在外磁场作用下发生转动引起磁体尺寸发生变化的示意图如图1所示]1[。
磁致伸缩材料在超材料领域中的应用研究
磁致伸缩材料在超材料领域中的应用研究磁致伸缩材料是一种具有特殊性能的新型材料，其在物理学、工程学和材料学等领域具有广泛的应用。
超材料是一类具有特殊结构和性能的人造材料，可用于制造超级透镜、隐身材料和超高速传输等高科技应用。
磁致伸缩材料在超材料领域中的应用研究是一个新兴的领域，其研究成果可能会给现代科技带来重大的突破。
一、磁致伸缩材料的特性磁致伸缩材料是一种能随着外界磁场变化而发生长度变化的材料。
基于磁致伸缩效应的工作原理，磁致伸缩材料可以用于制造自适应结构、传感器、执行器等器件。
目前，磁致伸缩材料已被广泛应用于机器人、航空航天和医疗设备等领域。
二、超材料的应用超材料因其特殊的结构和性能而被广泛应用于许多领域，如通信技术、医学成像和光学器件。
通过设计不同的超材料结构和参数，可以制造具有特定功能的材料。
例如，超级透镜可以将光线聚焦到微小的点上，从而实现高分辨率成像。
此外，超材料还可以用于制造隐身材料和超高速传输器件等应用。
三、磁致伸缩材料在超材料中的应用磁致伸缩材料在超材料中的应用是一个具有巨大潜力的新领域。
磁致伸缩材料可以在外界磁场的作用下发生长度变化，根据其长度变化的特性，可以设计出各种各样的超材料结构。
例如，通过将多个磁致伸缩材料组成一种可调谐介质，可以制造出具有可调谐电磁波传输和反射特性的超材料。
此外，磁致伸缩材料还可以用于制造具有变曲率表面的超材料结构。
这种变曲率表面可以实现光束的弯曲，从而实现超级透镜的功能。
与传统的透镜相比，超级透镜具有更高的分辨率和更大的视场角，可以应用于高分辨率成像和光纤通信等领域。
四、磁致伸缩材料在超材料应用中存在的问题磁致伸缩材料在超材料应用中存在着一些问题。
首先，磁致伸缩材料的性能受到环境因素的影响，如温度、湿度和磁场等。
这些因素的变化会导致磁致伸缩材料的性能发生变化，降低超材料的稳定性和可靠性。
其次，磁致伸缩材料制备工艺复杂，成本较高。
这也限制了其在超材料应用中的推广和使用。
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总 结 了聚 合 物
磁 致 伸 缩 复 合 材 料 的 性能 影 响 因 素 合 物 及 其 复 合材料 的研 究 方 向
。
制 备 方法 以及应 用 情 况
。
提 出 了 今 后 磁致伸缩 聚
关键 词
磁 致伸缩
聚 合物
复合 材 料
前曰
所 谓磁 致伸 缩 变
,
言
,
聚 合 物 及 其复 合 材料 不 仅 具 备这 些
伸缩 性 能 越 好
机 电藕 合 系数越 小
,
树
随
从磁性 能看
,
,
。
自此 开 始
,
,
陆续 有 相 关 的研 究
、
脂 含量 对 材 料性 能 的影 响 比较复杂
,
这 种 高分 子 磁 体 材 料属 于 软磁 性
比
成果 发 表
个方面
。
其 研 究 内容 主 要 包 括 以下 几
着树 脂 含 量 的增 加
复合 材 料 的
。
,
因 此近 年 来受 到 研 究者 的广泛 关
叠 加 的作 用
造成 尺 寸变化
形状
效应
单 磁 畴样 品 为 降低 退 磁 能 体 积 会
。
的现 象
作 为 智 能 材料 的 一 种
、
,
磁致伸
、
发 生 改变
缩 材 料 因 其 特 殊性 能 成 为 精 密 致 动 器 智 能传 感 器
、
换 能器 等器件 的核心 材
可 以是 各 种 过渡 金 属 离 子
、
合 材 料 的发 展
性 能 到现 在 已 经有
多 年 的历 史 了
,
有 机 自由
,
料具有许 多无 机 物所 无 法 取 代 的 优 点
如密 度 小
、
根 据 科 学 家们 大 量 的 实验 和 理 论 研 究结
果
,
基
极化 子 等有 自旋 的准粒 子
,
或者 是
重 量轻
东北 大
,
教授 带领 的研 究
小 组 首 先 尝 试 了注 射 成 型
。
缩 粒 子 可 以在 干 燥 的 状 态 下 进行 取 向
因此 粒 子 转 动 自 由度 大
,
学 和 大连 理 工 大 学 应 用 这 种材 料
拟在
。
试 图解 决压
,
因 而 取 向较 容
。
进给 和 精 密 定 位方 面 进 行联 合 开 发
,
极限
磁 化 强度 为
一
“
,
剩磁 为
,
磁 致伸 缩材 料颗粒 大 小
含
频 率 和 抗拉 强 度 提 高
规律
,
对于树脂含量对
勺
,
磁 感矫顽 力 为
初始
量
、
分布 以及 树 脂 的 粘度 系数 对 复 合 材
磁 致 伸 缩 系 数 以 及 机 电祸 合 系 数 的影 响
研 究 者 的研 究 结果不 同
,
,
能提 高
,
材 料 总 的损耗减 小
,
。
极 限频 率
提高
。
但是
复合 材 料 的 抗拉 强 度 随 着
颗 粒 尺 寸 的增大会逐 渐 降低
磁 致伸缩 复 合 材 料 的 制 备 方 法 和 工 艺 过程 对 磁 致 伸 缩复 合 材料 的 性 能 也 有
着 重 要 的影 响
。
磁致 伸 缩 复 合 材 料 的制
以下 三个特 点
。
这 些 原 子元素 都具 有
原 子 核 外 电子 排 布 或 电子 能
,
超 声探 测
精 密 自动控 制
,
、
机 器 人等 高
。
新 技 术领域
因 此 受 到 世 界 高技术领域
,
中
,
要 具有 未抵 消 的
专 家们 的极 大 关注
发 展迅 猛
然而
,
假 设 材料 为 椭 圆 型
。
,
磁化
原 子 存 在 稳 定 的未 满 电子 壳 层
从 目前 的 研 究 现 状 看
,
他采
再 次加热 到 一 定 温度 后 则 不 可 熔
。
子 设 计 实现 磁 致 伸 缩性 能 的方法 具 有 很
用环 氧基 体
制备 了复合材料
。
。
但并
年
,
制 备磁致伸缩 复合 材 料
开 拓 了树 脂基
,
较 大 困难
一 是 合 成条 件 苛 刻
,
,
实现 难 三
没 有 公 开 发 表 其 实验 结 果
,
高分 子材料 是 有机元 素 等
,
,
在 外 加 高 频 交变磁 场
使椭 圆形 状 发 生 变 化
度 发 生 变化
,
则 材料 的 宏 观 长
。
这 些 元 素 只 有 或 电子
,
电子 层 一
磁 致伸缩材料 内部 将 产 生 巨 大
,
即发 生 磁 致伸缩现 象
,
如
般 是 闭 壳层
因此
,
呈 现抗 磁 性
。
,
的作用
,
晶 体 自发 磁 化
,
晶体 形 状 改 磁
优势
,
还 能 解 决无 机 磁 致伸缩材料 目前
变
,
引 起 尺 寸 变化
,
场致 形 变
通 常 是 指 铁磁性 材
难 以解 决 的高频交变磁场 下 的涡流 效应 问题 注
。
场 作用 下
由于 轨 道 藕 合和 自旋 祸 合 相
,
料 或 者 亚 铁磁 性 材料 由于 磁 化状 态 的改 其 长 度 和 体 积都 要 发 生 微 小 的 变 化
中
,
复 合 材料 内部 气 孔 较 难 排 净
。
,
会降
树 脂流 动 过 程 中不 至 于 脱 离 在 磁 场 取 向
后 的位 置
。
球物 理 勘 探
辽 河 油 田 应 用 这种 材 料
,
低材 料 的磁 致 伸 缩 性 能
最近美 国的
利 用 取 向注 射 工 艺
。
磁 致伸
,
开 发 出 了 井 下 物 理 法采 油装 量
传 统 意义上 的 磁致伸缩 材料 绝 大 部 分都
是 由过 渡 金 属 元素 素 构 成 的无 机物 作用 下
,
,
、
沿 椭 圆 的 长 轴 方 向进 行 加磁场 时
,
在此 椭 圆上 施
够 提供 稳 定 的磁距 源
相对而 言
、 、 。
构成
、
烯土 元素 等 无 机元
由于 沿 磁 场 方 向磁 化 的作用
磁 致 伸缩聚 合 物 及其 复 合 材 料研 究 进 展
文 詹茂盛
,
丁乃秀
、
北 京航 空 航 天 大学
,
、
材 料科学 与 工 程 学 院 北 京
,
摘
要
在 总 结 无 机 磁 致 伸 缩 材 料 特 点 的华 础 上 条件
,
归纳 分析 了 聚 合物 材 料 获得 磁 致伸缩性 能 的
。
并回顾 了近 年来 有 关 磁致伸缩 聚 合 物 及 其复 合 材 料 的研 究历 程
自旋 平 行 趋于一致
,
使 得 所 有 的 顺磁 中 心 间 自旋
目前 科 学 家 们 提 出 的 获 得
磁 导率 为
一
时
。
这 种 高分 子
,
料磁 致伸 缩 性 能的 影 响
。
磁 体 材料 的磁 性 远 小 于 铁 磁 性 材料
其
制 备 工 艺 路 线 以及 工 艺 参 数 对
体 的范 围
。
对 于 环 氧树脂粘 结 剂来 说
, ,
度高
二是合成产率低
可 重 复差
首 次 公 开 其 实验 结 果
,
采 用环
的复
树 脂 的粘 度 系数 越 小
复 合材料 的磁 致
。
是 生 产 成 本低 影 响 了其 发 展
。
这 三个方 面 的 因 素严 重
同时
,
氧基体 合材料
,
获 得 了饱 和 应 变 为
自旋 多重 态 的 分 子 或 者 聚合 物 以及 开 壳
层 单 体 的聚 合 物 等 四 种
。
步 发 展 新 型 结 构 的磁 致
。
性 能 以及 普通 磁 学性 能 磁 致 伸 缩 系
数
、
国 内外 目前 已
伸缩 聚 合 物材 料
、
弹性 模 量
,
磁机械 藕合 系 数
。
。
经 进 行 研 究 的分 子 设 计 方法 主 要 包 括 高
国 防装 备
、
料
,
其应 用 涉及航 空航 天
、
一 磁致伸缩原理 以及 聚 合物材料 实现磁致 伸 缩 性 能 的 必 要 条件
材 料 的磁 致伸缩性 能可 用 简单 的椭
圆模 型解 释
。
、
从 微观 结 构 角 度 分 析
,
目前 的无 机
、
磁 致伸 缩 材 料 大 都 是 由过渡 金 属元 素
烯 土 元 素 等 组成
磁 致伸缩复合 材料性 能 的影 响
。
有 机磁 性 体 的主 要 途 径 包 括 自旋 交 换
,
内部磁 畴 结 构 以及 自由磁 化 程 度 决 定 着
,