浅谈磁致伸缩材料

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浅谈磁致伸缩材料

摘要：这学期我学习了《智能材料与结构》这门课程。短短九周的时间，使我对智能材料的各个板块都有了广泛认识的同时，对于磁致伸缩材料这一方面也产生了很大的兴趣。本文主要对于磁致伸缩材料的定义、原理与应用进行详细的介绍，并简明扼要的讲述磁致伸缩材料的发展现状及趋势和超磁致伸缩的应用与前景。

关键词：磁致伸缩效应磁致伸缩材料应用超磁致伸缩

1、磁致伸缩效应及其历史

磁致伸缩是磁性材料由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。物质都具有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长或缩短，去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象(效应)。

1842年，英国物理学家詹姆斯.焦耳发现有一类铁磁类材料，如：铁，在磁场中会改变长度。焦耳事实上观察到的是具有负向磁致伸缩效应的材料，但从那时起，具有正向磁致伸缩效应的材料也被发现了。

磁致伸缩现象的是磁致伸缩效应改变长度的原因。磁畴旋转以及重新定位导致了材料结构的内部应变。结构内的应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于正向磁致伸缩效应）。在此伸展过程中，总体积基本保持不变，材料横截面积减小。总体积的改变很小，在正常运行条件下可以被忽略。增强磁场可以使越来越多的磁畴在磁场方向更为强烈和准确的重新定位。所有磁畴都沿磁场方向排列整齐即达到饱和状态。

图1中即为长度随磁场强度变化的理想化曲线。

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2、磁致伸缩材料

材料、信息与能源称为现代人类文明的三大支柱，其中材料最为基础，国民经济的各部门和高技术领域的发展都不可避免地受到材料一特别是高性能材料发展的制约或推动。传统的电工材料一般是指电工设备中常用的具有一定电、磁性能的材料，按用途可分为4大类：绝缘材料、半导体材料、导体材料和磁性材料。但随着科学技术的迅猛发展，各种新型高性能材料不断涌现。为电工及相关行业的发展起到巨大的推动作用，应用领域也在不断拓宽，因此，把应用于电工产品的材料和以电、磁性能为特征的新功能材料均定义为电工材料，提出了新型高性能电工材料的概念，目前主要包括超导体材料、超磁致伸缩材料、磁性液体材料、电(磁 )流变液、乐电(铁电)材料和磁光材料等。这些材料因其具有优异的性能，给电工行业带来了新的活力，在军民两用高技术领域有着广泛的应用前景。

自从发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能器件与设备。为此人们研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主要有三大类：即：磁致伸缩的金属与合金，如镍（Ni）基合金（Ni， Ni－Co合金， Ni －Co－Cr合金）和铁基合金（如 F e－Ni合金， Fe－Al合金， Fe－ Co－V 合金等）和铁氧体磁致伸缩材料，如 N i－Co和 Ni－Co－Cu铁氧体材料等。这两种称为传统磁致伸缩材料，其λ值（在20—80ppm之间）过小，它们没有得到推广应用，后来人们发现了电致伸缩材料，如（ Pb， Zr，Ti）C03材料，（简称为 P ZT或称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约200~400ppm，它很快得到广泛应用；第三大类是近期发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料，例如以（ Tb，Dy）Fe2化合物为基体的合金。

由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移与信息）。转换成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转换功能材料。

3、磁致伸缩材料的应用及前景：

磁致伸缩技术正在飞速的朝市场化方向发展，同时已经成功的应用于一系列自动、非自动领域。市场对于磁致伸缩的应用正越来越敏感，并提供了更多的智力支持，从而简化运行系统。磁致伸缩应用的特征，如能量密度、准确性、力学特性，都是这项技术可以应用于多个范畴的良好促进因素。由于一些现有材料的发展，科学界对于相关领域的兴趣正在迅速增长，如Terfenol-D在很大温度变化范围内已经具有了比较稳定的性质和较高的磁致弹性系数。大尺寸材料应用的恰当制造工艺也在发展中。今后设想新结构和不同结合方式技术的工作仍然需要被执行，从而优化磁致伸缩材料的特性并减少成本。技术潜在的简单、高能密度结构的应用，由于其对于大体积产品的需求很快延伸到了多个领域，包括医药工业、自动化工业。它在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。

4、超磁致伸缩材料及应用

和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料(PZT)相比，超磁致伸缩材料具有很大的优点。具有不可估量的发展前景。

超磁致伸缩材料（GMM）是指在变化的磁场作用下,其长度变化特别大的一种稀土材料,又称稀土超磁致伸缩材料.是自上世纪70年代迅速发展起来的新型功能材料，目前已被视为21世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性功能材料。特征识别与特征设计相结合的方法是目前特征技术研究的最新方向。

与Co类普通磁致伸缩材料相比，TbFe，SmFe等金属间化合物的磁致伸缩系数要高约2个数量级。另外，稀土类金属一Fe化合物的磁致伸缩需要在80kA／m左右的磁场下才能达到饱和，而普通磁致伸缩材料的饱和磁化场强度只有16～24kA／m，相比较而言，前者的饱和磁化场强度要高得多。

除此之外，稀土超磁致伸缩材料还具有下列优点：磁致伸缩应变λ比纯 N i 大50倍，比PZT材料大5—25倍，比纯 N i和 Ni－Co合金高400~800倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约l0mm的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力。能量转换效率（用机电耦合系数 K33表示）高达70%，而 Ni基合金仅有16%，PZT材料仅有40~60%；其弹性模量随磁场而变化，可调