超磁致伸缩材料及其应用
第8章超磁致伸缩材料及其智能化应用-石雅莹
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7
第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
立方晶系和六方晶系对称的磁致伸缩模式
4
第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
8.1.2磁致伸缩系数
◆磁致伸缩效应的大小用磁致伸缩系数表示。
线磁致伸缩系数， 以 表示。 l / l
体积磁致伸缩系数，以 表示。 /
S11 S22 S33
◆沿不同方向测量出的不同。有纵向磁致伸缩系数和横 向磁致伸缩系数
• 4)非晶RFe2化合物的磁晶各向异性
成分为RFe2的溅射非晶态合金在结构和磁性方面与晶态合金不同。其居 里温度在室温以下直到400 K。这些合金最突出的特点是在低温时矫顽力大。 这是由于磁晶各向异性大和没有晶体结构两个因素共同造成的。在4K时，由 非晶TbFe2计算的最大磁能积为2.35EA／m，这与钐钴合金测得的最大值差不 多。虽然内禀磁晶各向异性可以持续到室温，但热能太高以至于无法阻止磁 化反转。因此，室温下矫顽力只有7.96 kA／m。
8.2.3稀土超磁致伸缩材料制备和组织结构
•
Terfenol-D材料的性能与其制备工艺、成分和微观结
构密切相关。不同制备工艺得到的材料的性能可以相差甚
远。
• 超磁致伸缩材料Terfenol-D主要有两种成分，即 Tb0.27Dy0.73Fex
稀土超磁致伸缩材料介绍及应用
稀土超磁致伸缩材料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年由焦耳发现致伸缩材料是近期发展起来的一种新型稀土功能材料。
它具有电磁能与机械能或声能相互转换功能。
“稀土超磁致伸缩材料”是当今世界最新型的磁致缩功能材料,是一种高效的Tb-Dy-Fe 合金。
它在低磁场驱动下产生的应变值高达1500—2000ppm，是传统的磁致伸缩材料如压电陶瓷的5—8 倍、镍基材料的40—50 倍，因此被称之为“超磁致伸缩材料”。
“稀土超磁致伸缩材料”产生的应力大、能量密度高，可瞬间响应，并且具有可靠性高、居里温度高等优点，而且还是一种环保型材料；其所具有的卓越的电磁能与机械能或声能转换性能，是传统的磁致伸缩材料所无法比拟的。
“稀土超磁致伸缩材料”可广泛应用于众多行业的科学研究与生产制造领域，从军工、航空、海洋船舶、石油地质，到汽车、电子、光学仪器、机械制造，再到办公设备、家用电器、医疗器械与食品工业，无处没有它大显身手的机会。
在国防、航空航天和高技术领域：如声纳与水声对抗换能器、线性马达、微位移驱动（如飞机机翼和机器人的自动调控系统）、噪声与振动控制系统、海洋勘探与水下通讯、超声技术（医疗、化工、制药、焊接等）、燃油喷射系统等领域，有广阔的应用前景。
“稀土超磁致伸缩材料”对生产技术与生产工艺的要求极高，目前只有少数几个国家的个别企业能够生产。
由三个组元组成（Tbl －xDyx）Fey（X＝0．27~0．40，Y＝1．90~2．0）在较低磁场下具有很高磁致伸缩应变λ的合金，如Tbo0．3Dy0．7Fe1．95 首先于20 世纪70 年代初由美国海军表面武器实验室的A．C．Clark 博士等人发明，当即他们申请了美国专利。
美国海军表面武器实验室于1987 年将该专利技术转让给美国阿依华州 A mes 市的前沿技术公司创建了专门生产稀土超磁致伸缩材料的E trema INC 分公司。
超磁致伸缩材料及其应用
超磁致伸缩材料及其应用一、超磁致伸缩材料基本概况1．研究背景20世纪80年代,人们提出智能材料的概念以来,有关智能材料的机理研究、智能材料的制备研究以及以智能材料为基础的智能系统与结构的基础与应用研究已成为当前力学、物理、材料、电子、机械及信息等学界的重大基础及应用课题,并已取得了大量卓有成效的研究,形成了"智能系统科学与技术"这一新兴的多学科交叉的高技术领域。
它不仅用在国防和航空航天等高技术领域,而且在民用工业及生产活动中也发挥着重要的作用。
智能材料系统与结构中智能材料是关键,它是一种能通过系统调节材料自身各种功能并对外界复杂环境条件发生变化做出反应而发挥主动功能作用的材料,即具有感知环境变化和对外部环境做出反应的能力。
其中,一类是对外界的刺激强度具有感知,如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等;一类是对外界环境条件发生变化做出响应。
它们可以和控制电路、接口电路、数据通信及电源系统于一体,实现能量之间的转换,制作出各种各样的传感功能和执行功能的智能器件。
目前,智能材料具有驱动功能作用的主要有压电材料、电致伸缩材料、形状记忆合金材料、磁致伸缩材料和电(磁)流变液等。
表1.1所示为几种智能材料基本性能。
表1.1 几种常用功能材料基本性能指标超磁致伸缩材料作为一种新型智能材料,其优良的磁致伸缩特性及潜在的应用前景在高技术领域得到普遍的重视,成为智能材料及其应用设计中的一种重要单元。
2.超磁致伸缩的发展1842年著名物理学家焦耳首先发现:在磁场中,铁磁材料由于磁化状态的改变会引起其长度或体积发生微小变化，这种现象就称为磁致伸缩，也称焦耳效应。
其中，材料在磁化过程中伴有晶格的自发变形，会沿磁化方向发生伸长或缩短的现象，称为线磁致伸缩;体积发生膨胀或收缩的现象称为体积磁致伸缩。
一般的，由于体积磁致伸缩发生在材料达到饱和磁化以后，且体积磁致伸缩比线磁致伸缩要微弱得多，实际用途又非常少，在测量和研究中考虑得很少，因此工程上的磁致伸缩均指线磁致伸缩。
电致、磁致伸缩材料功能及应用
二谈电致、磁致伸缩材料功能及应用一、电致伸缩材料在外电场作用下电介质所产生的与场强二次方成正比的应变，称为电致伸缩。
这种效应是由电场中电介质的极化所引起，并可以发生在所有的电介质中。
其特征是应变的正负与外电场方向无关。
在压电体中（见压电性），外电场还可以引起另一种类型的应变；其大小与场强成比例，当外场反向时应变正负亦反号。
后者是压电效应的逆效应，不是电致伸缩。
外电场所引起的压电体的总应变为逆压电效应与电致伸缩效应之和。
对于非压电体，外电场只引起电致伸缩应变。
电介质在电场作用下发生弹性形变的现象。
是压电效应的逆效应。
因电介质分子在电场中发生极化，沿电场方向排列的分子相互吸引而引起。
当场强大小发生周期性变化时，能引起材料沿电场方向发生振动。
若在电介质材料(如钛酸钡等)两端所加交变电压的频率与材料的固有频率相同时，材料将发生共振。
（1）电致伸缩效应与压电效应电致伸缩效应也是一种基本的机—电耦合效应，但是对它的实研究开展得较迟，因为电致伸缩是个二次效应，通常由其产生的形变非常小，给实验带来了困难，因此人们对它不太熟悉。
众所周知，电介质晶体在外电场作用下应变与电场的一般关系式=⋅+⋅⋅式中，第一项表示逆压电效应;d为压电系为: S d E M E E数，第二项表示电致伸缩效应;M为电极伸缩系数，它是由电场诱导极化而引起的形变与电场平方成正比。
逆压电效应仅在无对称中心晶体中才有;而电致伸缩效应则为所有电介质晶体都有，不过一般说来它是很微弱的。
压电单晶如石英、罗息盐等它们的压电系数比电致伸缩系数大几个数量级，结果在低于IMV/m的电场作用下只看到第一项的作用，即表现为压电效应。
在一般铁电陶瓷中，电致伸缩系数比压电系数大，在没有极化前虽然单个晶粒具有自发极化但它们总体不表现净的压电性。
在极化过程中净的极化强度被冻结(即剩余极化)并产生一个很强的内电场，如BaTIO。
陶瓷净的剩余极化产生一个27MV/m的内电场，这样高的内电场起了电致伸缩效应的偏压作用，因此极化后陶瓷在弱外电场作用下产生宏观线性压电效应。
超磁致伸缩材料传感／执行器的原理与应用
． Ｉ 专 家论 坛
超 磁 致 伸 缩材 料 传 感 ／ 执 行 器 的原 理 与应 用
贾振 元 ， 王福 吉， 邹 君 ， 刘 慧芳
（ 大 连 理工 大学 精 密 与 特 种 加 工 教 育 部 重 点 实 验 室 大连 ， １ １ ６ ０ ２ ４ ）
摘要
超磁致 伸缩材料作为一种新 型功能材料 ， 具有 大磁致 伸缩 系数 、 高能量 密度 、 低磁场 驱动 、 高磁 机转换效 率
以及快速 响应 等优点 ， 在精 密驱动技术 中得到应用 。利用磁致 伸缩 正效应 可以开发 微位移 执行器 、 力 驱动器 和振 动器 等 ； 利用磁致伸 缩逆 效应可 以开发力 、 力矩 和位移传感器 以及能量转换器 ； 利用磁致伸 缩正逆耦 合效应 可以开
发集驱 动 、 力测量 、 输 出力 感 知 和输 出力 可 控 等 功 能 于 一 体 的 器 件 ， 应 用 于 精 密 驱 动 领 域 。 在 分 析 了磁 致 伸 缩 正 效
材料 研究 所合 作开发 出了成分 为 Ｔｂ ∽Ｄｙ Ｆ ｅ 。 的
磁致 伸缩 材料 ， 由于其 磁 致 伸 缩 系 数 比一般 磁 致 伸
密度、 低 磁场 驱 动 、 高 磁 机转换 效 率 以及快 速 响应等
优 点 。该材 料具 有 强 磁 致 伸 缩 正效 应 、 逆 效应 以及 正 逆耦 合效 应 ， 表 现 出 双 向 能 量转 换 特 性 。利 用 磁
应、 逆效应 以及正逆耦合效 应机理的基础上 ， 阐述 了超磁致伸缩传感器 、 执行器以及传感执 行一体化 器件 的开发原
理及 其 应 用 现 状 。 关键 词 超 磁 致 伸 缩 材 料 ；执 行 器 ； ３ ４ ；ＴＨ３ ９
第8章超磁致伸缩材料
新型的磁—光类型传感器比传统的磁—电类型传感器灵敏度更大。 用途：地质探矿、生物工程、军事制导等领域。
精品PPT
4、精密控制(kòngzhì)领域 特点：高响应速度、磁致伸缩灵敏、输出应力大等。普遍(pǔbiàn)用于航天定
图4 CU18A磁致伸缩超声换能器
精品PPT
2、力传感领域(lǐnɡ yù)
施加应力 超磁致伸缩棒 空气隙
原理：磁致伸缩逆效应。
永磁铁
优点：比压电陶瓷传感器的性能更突出，
体积轻巧、抗干扰能力强、过载能力好、工艺 简单、长寿命。
用途：静态力测量、动态力的测量、重工
轭铁 业、化学化工、自动化控制系统等领域。
图11 尺蠖式马达
精品PPT
椭圆模态运动的GMM马达工作效率较低 下，这是由于定子运动到椭圆轨道下半部分时， 作空载(kōnɡ zǎi)回程运动，因而不能推动转 子运动所致。 杭州科技大学设计的新型超磁 致伸缩马达解决了这一问题，该马达的定子由 一个环和两个Terfenol-D线性驱动器构成。
图12 超磁致伸缩(shēn suō)马达定 子
稀土超磁致伸缩材料换能器的主要优点为大位移、强力、大功率以及控制精密和响应快 速，其他优点还包括可靠性高、磁(电)-机转换效率高、频带宽、能源供应简单等。另外，利 用应变直接转换成线性位移或按振动原理设计的器件结构简单、可动件少、刚性大、磨损小， 对精度、响应、可靠性和转换效率的提高也起了重要作用。
稀土超磁致伸缩材料响应速度极高(<1µs)，性能重复性好，换能器结构简单，消除了常 规系统中摩擦、空程、粘附引起的偏差和滞后。所以这种材料的换能器定位精度一般为 10−1µm，最佳可达纳米级。 8.3.1.3 可靠性(性能稳定，不易发生故障)
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.
磁致伸缩材料的应用
用途：航天航空数字伺服系统的核心元件，高频快速 控制领域中的重要部件。 特点：由GMM制作的新型电液高速开关阀，可在频率 大于1KHz的高频状态下稳定安全地工作，比PZT高速开 关阀快响应速度更快、漂移更小、输出位移更大、更耐 高温。
北京航天航空大学自主研 制的新型电液高速开关阀。 原理：线圈通电时产生驱 动磁场，从而使超磁致伸缩 棒伸长，推动推杆，推杆顶 压滚珠a，从而推动杠杆工作， 杠杆通过滚珠b克服预压弹簧 阻力而推动阀芯移动，从而 使进出液口相通。
1.外套 2.出水管 3.弹簧 4.输出轴5. 导向块 6.导磁体 7.超磁致伸缩棒 8. 水箱 9.永磁体 10.导向块 11.进水管 12.导磁体 13.螺钉 14.底盖 15.传感 器 16.线圈 17.骨架 18.电阻应变片 图8 超磁致伸缩微位移执行器 Fig.8 Magnetostrictive small of displacement actuator
超磁致伸缩大功率超声换能器 Fig.2 Giant magnetostrictive high power ultrasonic transducer
2、力传感领域
施加应力
原理：磁致伸缩逆效应。
永磁铁 超磁致伸缩棒
空气隙
轭铁
图3 超磁致伸缩力传感器 Fig.3 Giant magnetostrictive force sensors
优点：比压电陶瓷传感器 的性能更突出，体积轻巧、 抗干扰能力强、过载能力好、 工艺简单、长寿命。 用途：静态力测量、动态 力的测量、重工业、化学化 工、自动化控制系统等领域。
图4 超磁致伸缩轴向扭矩传感器 Fig.4 Giant magnetostrictive axial torque sensors
磁致伸缩材料及应用
磁致伸缩材料及应用磁致伸缩材料通常由多个金属和非金属材料组成，其内部结构中夹杂着磁性微粒或磁性颗粒，这些磁性物质能够改变材料的微观结构和磁性，从而实现形变效应。
磁致伸缩材料的磁致伸缩效应与其磁导率、饱和磁感应强度和晶格缺陷等有关。
首先是磁致伸缩材料在航空航天领域的应用。
磁致伸缩材料可以用作火箭推进器和导弹控制系统的执行器。
由于磁致伸缩材料具有快速响应、可控形变和高力输出等特点，可以用于改变火箭和导弹的姿态和运动轨迹。
此外，磁致伸缩材料还可以用于飞机和航天器的机翼和舵面的形变控制，提高飞行效率和操控性能。
其次是磁致伸缩材料在机械工程领域的应用。
磁致伸缩材料可以用于制造智能结构和精密仪器。
利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，可以实现自适应和形变控制，提高机械系统的准确性和适应性。
此外，磁致伸缩材料还可以用于制造微纳机械器件和微电子机械系统，实现微小尺寸和高精度的运动控制。
再次是磁致伸缩材料在医学领域的应用。
磁致伸缩材料可以用于制造可植入和可内置的医疗器械和设备。
利用磁致伸缩材料的形变性能，可以制造可调控形状和大小的支架、导管和植入物，用于治疗血管疾病和心脏病。
此外，磁致伸缩材料还可以用于制造可控释放药物的载体和微泵，实现精确的药物输送和治疗。
最后是磁致伸缩材料在能源领域的应用。
磁致伸缩材料可以用于制造磁致发电器和磁致冷却器。
利用磁致伸缩材料的磁致发电效应，可以将磁场能转化为电能，实现能量的捕捉和转换。
同时，磁致伸缩材料还可以用于制造磁致冷却器，利用磁致伸缩材料的磁致热效应实现低温制冷和高效能源利用。
总之，磁致伸缩材料具有磁场响应性能，可以实现形变控制和能量转换。
其在航空航天、机械工程、医学和能源等领域具有重要应用价值，并且在材料科学和技术领域有着广阔的研究和发展前景。
超磁致伸缩材料及其应用
超磁致伸缩材料及其应用13新能源(01)班张梦煌1305201026超磁致伸缩材料(GMM)是一种在室温和低磁场条件下，就能产生很大磁致伸缩应变的新型功能材料，具有输出力大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出应变大等优点，在智能系统中具有广泛的应用前景，其力学响应行为涉及变形场、磁场、涡流场、温度场相互耦合问题，直接关系到智能系统的性能指标和可靠运行。
LI前人们已经设计并制造出各种智能结构和器件，如：主动减振装置、高精度线性马达、超磁致伸缩微泵、微阀门、微定位装置等等，使得磁致伸缩材料在众多的功能材料中备受瞩口。
超磁致伸缩材料Terfenol-D与压电陶瓷材料相比具有更优越的性能。
超磁致伸缩材料(giant magnetostr ietive material ,简写为GMM)是A. E. Clark 等人于70年代发现的，是一种新型的功能材料，它能有效地实现电能与机械能的相互转换。
山于具有应变值大、电能一机械能转换效率高、能量传输密度大、高响应速度等特点，该材料已引起广泛的注意，并逐步开始应用于声纳、超声器件、微位移控制、机器人、流体器件中。
表1.1给出了电磁场，变形场和温度场之间能量转换的不同效应。
形状记忆合金和压电陶瓷都已在航空航天结构中被用于控制和制动。
形状记忆合金非常适合用在高冲程量、低带宽的领域中，例如旋翼叶片的飞行追踪。
而压电陶瓷适用于低冲程量、高带宽的悄形，例如被安置在直升飞机的后缘襟翼上以降低较高的谐波振动。
磁致伸缩材料可以提供机械能和磁能之间的转化，其带宽在30KHz左右，低于电致伸缩材料和压电陶瓷，但高于形状记忆合金。
在过去的儿年中，能产生大于0. 001应变的磁致仲缩材料受到广泛的关注，这主要是因为这种材料非常适合应用在一些需要较大驱动力和较小位移的领域，如可变形表面，主动振动控制和精确制造等等，在商业应用中也可以产生巨大的经济效益。
磁致伸缩器件山于其独特的功能优势在许多危险工作条件和高温环境下性能出众，并且能够在低频磁场下调节应力和位移。
磁致伸缩材料在功能材料中的应用
磁致伸缩材料在功能材料中的应用摘要：磁致伸缩材料是一种重要的功能材料，当改变外磁场时磁致伸缩材料的长度及体积均会发生变化，反之当材料发生变形或受力时材料内部的磁场也会随之发生变化。
它具有电磁能和机械能相互转换的功能，是声呐换能器的重要材料，在大桥桥梁减震、油井探测、海洋探测与开发、高精度数字机床、微位移传感器、高保真音响等方面有着广泛的用途。
关键字：磁致伸缩材料，功能材料1.特性磁致伸缩材料(图1)的重要特点是具有磁致伸缩效应——即磁体在外磁场中被磁化时，其长度及体积均发生变化的现象[1]，它由焦尔发现，所以又称焦尔效应。
稍后，维拉里又发现了磁致伸缩的逆效应，即铁磁体在发生变形或受到应力的作用时会引起材料磁场发生变化的现象，这种现象也称为铁磁体的压磁现象。
磁致伸缩效应可分为线磁致伸缩和体积磁致伸缩，其中长度的变化称为线性磁致伸缩，体积的变化称为体积磁致伸缩。
在绝大部分磁性体中，体积磁致伸缩很小，实际的用途也很少，因此大量的研究工作和磁致伸缩材料的应用主要集中在线磁致伸缩领域，因而通常讨论的磁致伸缩是指线磁致伸缩。
使用材料长度的变化量与原长度的比值λ，也就是磁致伸缩系数来表示磁致伸缩量的大小，它的单位是ppm(10-6)，即百万分之一，伸缩范围通常为几十到几千ppm。
磁致伸缩量虽然用肉眼无法观察到，但却在换能器和传感器上有着强大的用途。
图2是磁致伸缩示意图。
图1 磁致伸缩材料图2 磁致伸缩示意图2.分类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：(1)传统磁致伸缩材料，包括磁致伸缩的镍基合金、铁基合金和铁氧体，其磁致伸缩系数λ值较小，使得它们没有得到推广应用；(2)20世纪末发展的以Tb-Dy-Fe和SmFe材料为代表的稀土金属间化合物超磁致伸缩材料[2]，其磁致伸缩系数比传统磁致伸缩材料大1~2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料；(3)2000年美国的Guruswamy S等人[3]报道了一种由Fe和Ga组成的二元合金具有较高的λ，这是一种新型的磁致伸缩材料。
磁致伸缩效应的原理及应用
磁致伸缩效应的原理及应用1. 磁致伸缩效应的基本原理磁致伸缩效应是指当材料处于磁场中时，其长度会发生变化的现象。
这种现象是由材料内部磁畴的改变引起的。
磁致伸缩效应是磁性材料特有的现象，它的存在在实际应用中得到了广泛的利用。
常见的磁致伸缩效应材料包括镍钛形状记忆合金、铁氧体、铁磁晶体等。
这些材料的磁致伸缩效应主要来源于其磁畴的结构变化。
当材料处于磁场中时，磁畴会发生重新排列和翻转，从而导致材料的长度发生变化。
2. 磁致伸缩效应的应用磁致伸缩效应具有许多重要的应用，下面列举了其中几个典型的应用：•声音发生器磁致伸缩效应可用于制造声音发生器。
利用磁致伸缩效应，当材料受到电流或磁场的作用时，长度会发生变化，从而产生声波。
这种原理被广泛应用于扬声器、麦克风等设备中。
•磁致伸缩传感器磁致伸缩传感器是一种利用磁致伸缩效应进行测量的传感器。
通过测量材料在磁场中的长度变化，可以得到与磁场强度相关的信号。
磁致伸缩传感器具有高灵敏度、快速响应和广泛的测量范围等特点，被广泛应用于力学、物理、材料科学等领域。
•磁致伸缩器件磁致伸缩器件是利用磁致伸缩效应进行控制和驱动的装置。
通过调节磁场的强度和方向，可以控制磁致伸缩材料的长度变化。
磁致伸缩器件具有快速响应、高精度和无摩擦的特点，在精密仪器、航空航天等领域有广泛的应用。
•磁致伸缩压电材料磁致伸缩压电材料是一种将磁致伸缩效应和压电效应结合起来的新型材料。
通过施加磁场和机械力，可以实现材料的同时磁致伸缩和压电效应。
这种材料在机械传感、能量转换和医学诊断等领域具有潜在的应用价值。
3. 磁致伸缩效应的未来发展磁致伸缩效应作为一种重要的物理现象，具有广泛的应用前景。
目前，磁致伸缩效应的研究主要集中在材料的改进和应用的创新上。
未来的发展方向包括：进一步优化磁致伸缩材料的性能，提高其磁致伸缩效应的灵敏度和稳定性；开发新型磁致伸缩器件和磁致伸缩传感器，拓展其应用场景；将磁致伸缩效应与其他功能材料相结合，实现多功能集成。
新型磁致伸缩材料的传感技术及其生物检测应用
新型磁致伸缩材料的传感技术及其生物检测应用新型磁致伸缩材料的传感技术及其生物检测应用随着科技的不断发展，新型磁致伸缩材料的传感技术在生物检测领域中扮演着越来越重要的角色。
本文将从简单到深入的角度，探讨新型磁致伸缩材料的原理和应用，以及它在生物检测领域中的潜在价值。
1. 介绍新型磁致伸缩材料新型磁致伸缩材料是一种能够在外加磁场作用下产生形变的材料。
它具有高灵敏度、快速响应和可控性强的特点，被广泛应用于传感器、致动器、医疗器械等领域。
其原理是基于磁致伸缩效应，即在外加磁场的作用下，材料表现出线性的磁致伸缩变化。
2. 新型磁致伸缩材料在传感技术中的应用在传感技术领域，新型磁致伸缩材料可以被用于制造高精度的传感器。
通过测量材料在外加磁场下的形变，可以实现对力、压力、应变等物理量的高灵敏度测量。
这种传感技术在工业自动化、航空航天等领域有着重要的应用，能够提高系统的控制精度和稳定性。
3. 新型磁致伸缩材料在生物检测中的应用除了传感技术领域，新型磁致伸缩材料还具有巨大的潜在价值在生物检测中的应用。
利用其高灵敏度和快速响应特点，可以制备高灵敏的生物传感器。
这些生物传感器可以用于检测生物标志物、病原体等，具有快速、准确、无损伤的特点，对于临床诊断、食品安全等方面具有重要意义。
4. 个人观点和理解在我看来，新型磁致伸缩材料的传感技术及其生物检测应用是一个富有前景的研究领域。
随着科技的不断进步，相信它将在生物医学领域中发挥越来越重要的作用，为人类健康和生活质量的提高做出更大的贡献。
总结回顾通过本文的探讨，我们对新型磁致伸缩材料的传感技术及其生物检测应用有了更深入的了解。
这种材料的高灵敏度、快速响应和可控性强的特点，使其在传感技术和生物检测领域具有重要的应用前景。
我们对于其在未来的发展充满期待，相信它将为生物医学领域带来更多的突破和创新。
在文章中，我们多次提及了新型磁致伸缩材料的传感技术及其生物检测应用，希望能够帮助你更全面、深刻和灵活地理解这一主题。
超磁致伸缩执行器及其在流体控制元件中的应用(1).
超磁致伸缩执行器及其在流体控制元件中的应用(1)：超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，在查阅大量文献的基础上，介绍了超磁致伸缩执行器的原理和分类及其在流体控制元件中的应用研究现状，并对超磁致伸缩执行器在流体机械中的应用前景进行了展望。
关键词:超磁致伸缩执行器流体控制元件0.引言液压伺服系统的性能主取决于组成该系统的阀、泵和液压马达等流体控制元件的性能。
因此提高流体控制元件的性能一直是人们努力的目标。
传统的流体控制元件主采用电动机、电磁铁作为驱动元件。
近年来，随着一些新型功能材料的出现，使大幅度提高流体控制元件的性能成为可能。
超磁致伸缩材料就是一种新型的电（磁）─机械能转换材料，具有在室温下应变量λ大，能量密度高，响应速度快等特性，国外以将它应用于伺服阀、比例阀和微型泵等流体控制元件中，并取得了一些进展。
本文就这方面情况做些介绍。
1.超磁致伸缩执行器1.1超磁致伸缩材料[1][2]超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material）有别于传统的磁致伸缩材料（Fe、Co、Ni等），是指美国水面武器中心的Clark博士于70年代初首先发现的在室温和低磁场下有很大的磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物，典型材料为Tbx Dy1-xFe2-y。
式中x表示Tb/Dy之比，y代表R/Fe之比，x一般为0.27～0.35，y为0.1～0.05。
这种三元稀土合金材料已实现商品化生产，典型商品牌号为Terfenol-D(美国的Edge Technologies公司)或Magmek86(瑞典的Feredyn AB公司)，代表成分为Tb0.27Dy0.73Fe1.93。
与压电材料（PZT）及传统的磁致伸缩材料Ni、Co等相比，超磁致伸缩材料具有独特的性能：在室温下的应变值很大（1500～2000ppm），是镍的40～50倍，是压电陶瓷的5～8倍；能量密度高（14000～25000J/m），是镍的400～500倍，是压电陶瓷的10～14倍；机电耦合系数大；响应速度快（达到μs 级）；输出力大，可达220～880N。
超磁致伸缩材料及其应用
超磁致伸缩材料及其应用李 梅,吕银芳,陈 平,李湄静,荆小平,张会峰(陕西金山电气集团有限公司 陕西咸阳 712021)摘 要:介绍了超磁致伸缩材料具有高磁致伸缩应变 ,能量转换效率高、工作频带宽、频率特性好;稳定性好、可靠性高,其磁致伸缩性能不随时间而变化,无过热失效等特点;开发出的T b x Dy (1-x )Fe y 合金,在较低的外磁场下就能达到超磁致伸缩效果,并对T bFe 2,Dy Fe 2,T b 0.3Dy 0.7Fe 2(T erfenol D )做了特性对比;超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面广阔的应用前景,超磁致伸缩材料的应用及研究对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。
关键词:超磁致伸缩;磁致伸缩;特性;外磁场中图分类号:T P 211+.53 文献标识码:B 文章编号:1004373X (2005)1811402Giant Magnetostrictive Material and Its ApplicationL I M ei ,L V Y infang ,CHEN Ping ,L I M eijing ,JIN G Xia oping ,ZHA NG Huifeng(Shaa nx i Ji nshan Electric Cro up Co .Ltd .,Xi a ny ang ,712021,China )Abstract :U ltr a m agneto st rict ive mater ial is discussed in this thesis.It possesses high ,hig h energ y ex cha ng e efficiency ,w idew or king frequency r ange ,etc .it ′s not chang ed by time of mag neto str ictio n T b x D y (1x )Fe y allo y has ult ra mag netostr iction effect at lo w mag net ic field.Character istics o f T bF e 2,D yF e 2,T b 0.3Dy 0.7F e 2(T erfenol D )ar e also be co mpar ed in this art icle.T he ultramagne-tostr iction has widely applicatio n in acoustic f requency and ultr asonic,it plays an impo rtant r ole in sonar ,ocean development and detec-tio n t echno lo gy.Keywords :ultr a m agneto st riction ;m agneto est riction ;char acterist ic ;o ut side ma gnetic field收稿日期:20050628 磁致伸缩现象早在19世纪中叶就被发现,利用镍、坡莫合金、铁氧体等磁性材料的磁致伸缩效应制作的音响变换振子(超声波发生器)等器件,也早有实际应用,但由于其磁致伸缩量小,大致为10-5,从而被以PZT (代表性的压电材料,由Pb (Zr ,T i )O 3构成的陶瓷材料)为代表的压电材料占据主导地位。
超磁致伸缩材料的特性及其发展应用
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。
稀土超磁致伸缩材料及在地球物理领域的应用
稀土超磁致伸缩材料及在地球物理领域的应用
稀土超磁致伸缩材料是一种具有广泛应用前景的新型材料，它将稀土材料与超磁体结合在一起制成，通过引入磁场而形成伸缩现象。
稀土超磁致伸缩材料具有很高的力学强度和抗热性能，传导能力也较好，可以实现多种特殊物理效果，用于高性能机械装备、精密机械设备、先进航空航天设备及部分电子产品中。
在地球物理领域，稀土超磁致伸缩材料的应用可以极大地改善现有的测量技术，为未来的地震监测、深海地质勘探等提供新的技术和方法。
此外，稀土超磁致伸缩材料还可以帮助提高深海监测的准确性和时效性，分析地壳的岩石构造变化。
同时，它还可以作为新型海洋异常信息传感器，检测海水温度、潮汐变化等信息，以及海底活跃地震活动。
稀土超磁致伸缩材料在地球物理领域的应用有着广阔的前景，它不仅可以一定程度上帮助我们了解地球的结构及变化规律，而且可以更好的帮助我们预测地震，改善地震灾害对人民的影响。
稀土超磁致伸缩材料表明，它未来将被广泛应用于地球物理相关研究中，它也将有助于改善我们解决着重大地球物理问题的能力。
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超磁致伸缩材料及其应用周全祥（2009级应用物理学）摘要：超磁致伸缩材料（GMM）是一种在室温和低磁场条件下，就能产生很大磁致伸缩应变的新型功能材料，具有输出力大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出应变大等优点，在智能系统中具有广泛的应用前景，其力学响应行为涉及变形场、磁场、涡流场、温度场相互耦合问题，直接关系到智能系统的性能指标和可靠运行。
目前人们已经设计并制造出各种智能结构和器件，如:主动减振装置、高精度线性马达、超磁致伸缩微泵、微阀门、微定位装置等等，使得磁致伸缩材料在众多的功能材料中备受瞩目。
超磁致伸缩材料Terfenol-D与压电陶瓷材料相比具有更优越的性能。
关键字：超磁致伸缩材料，工作特性，制备工艺，非线性，换能器，制动器Abstract：Giant Magnetostrictive Materlal，GMM in abbreviatory，is one kind of new funetion materials and can give giant magnetostriction strains with temperature indoor and low magnetie field.It has good features such as giants trains，high force，high energy density，high mechanical-magnetic coupling coefficient，mierosecond response and so on.Magnetostrictive materials have an immeasurable applied prospect in smart devices.A considerable coupling effect among mechanical field，magnetic field，thermal field，electrical field is therefore being a relevant concern in the applications of magnetostrietive devices.Motivated by the need to promote a more efficient design process and higher performance achievement of development of materials，devices and system designs.GMM is a kind of new type of functional material，which has been used to design and fabricate many intelligent devices such as active vibration absorbers，linear motors，micro-pumps，micro-valves，and micro- positioners etc. Terfenol-D than piezoceramic material has more superior performance.Key words：giant magnetostrictive material，working chracteristic，preparation technique,nonlinear，transducer，displacement actuator前言超磁致伸缩材料(giant magnetostrietive material，简写为GMM)是A.E.Clark等人于70年代发现的，是一种新型的功能材料，它能有效地实现电能与机械能的相互转换。
由于具有应变值大、电能一机械能转换效率高、能量传输密度大、高响应速度等特点，该材料已引起广泛的注意，并逐步开始应用于声纳、超声器件、微位移控制、机器人、流体器件中。
表1.1给出了电磁场，变形场和温度场之间能量转换的不同效应。
形状记忆合金和压电陶瓷都已在航空航天结构中被用于控制和制动。
形状记忆合金非常适合用在高冲程量、低带宽的领域中，例如旋翼叶片的飞行追踪。
而压电陶瓷适用于低冲程量、高带宽的情形，例如被安置在直升飞机的后缘襟翼上以降低较高的谐波振动。
磁致伸缩材料可以提供机械能和磁能之间的转化，其带宽在30KHz左右，低于电致伸缩材料和压电陶瓷，但高于形状记忆合金。
在过去的几年中，能产生大于0.001应变的磁致仲缩材料受到广泛的关注，这主要是因为这种材料非常适合应用在一些需要较大驱动力和较小位移的领域，如可变形表面，主动振动控制和精确制造等等，在商业应用中也可以产生巨大的经济效益。
磁致伸缩器件由于其独特的功能优势在许多危险工作条件和高温环境下性能出众，并且能够在低频磁场下调节应力和位移。
相对于电致伸缩材料和压电陶瓷，磁致伸缩材料的优势在于其优越的力学性能和热鲁棒性，而相对于形状记忆合金，更具有应变大，带宽广和磁滞损耗低等优点。
这些性能优势有利于开发研制传感器和制动器，甚至二者的结合体，例如需要精密的自传感制动器。
一、工作特性作为一种新型的功能稀土材料，与压电陶瓷(PZT)相比，超磁致伸缩材料具有一些突出的优点:(1)可产生5~10倍于压电陶瓷的静态应变，在共振频率下，动态应变比静态应变还要更高出几倍，可在低压下使用;(2)在所有功能材料器件中能量密度最高，输出功率高;(3)结构紧凑，工作频率范围宽(数百Hz—数百kHz，有恒定响应的稀土超磁致伸缩材料换能器，能代替数个不同频率响应的压电换能器)，能量转换时损耗低;(4)工作温度范围广(Terfenol一D的温度范围为一50℃~70℃)且温度稳定性高(当工作温度超过其居里温度时磁致伸缩性能不会发生不可逆变化;而压电陶瓷即使在居里温度的一半时，压电性能也会受到不可逆的损害，超过居里温度时则完全失去极化);(5)弹性模量随磁场变化，可调控。
二、制备工艺2-1 ZMLMC法该方法将区域熔化与液态金属冷却相结合,利用感应加热集中对凝固界面前沿液相进行加热,从而有效地提高了固液界面前沿的温度梯度.采用ZMLMC方法制备Tb-Dy-Fe磁致伸缩材料,在8×104A/m磁场下,磁致伸缩系数达10-3以上,压应力下的饱和磁致伸缩系数达1·7×10-3,比采用其他方法制备的同一材料的性能高得多.由此可见,高温度梯度定向凝固技术在现代凝固理论特别是高性能材料制备中已经发挥了重要作用。
2-2 深过冷定向凝固(DUDS)深过冷定向凝固是深过冷与定向凝固的结合,是利用电磁悬浮冶炼、循环加热和熔体净化相结合的方法.使液态金属获得深过冷,然后,在临界过冷度附近采用可提供一定温度梯度的激发源予以激发,完成深过冷熔体激发快速定向凝固.由于深过冷定向凝固集中了深过冷凝固与定向凝固的各自优势,深过冷定向凝固技术克服了传统定向凝固技术的一些不足之处。
但是深过冷定向凝固法作为一种改进的定向凝固法仍存在一些问题有待解决,过冷度太小或太大都不能形成理想的枝晶组织,深过冷定向凝固即过冷熔体中强制枝晶生长形成理想的枝晶阵列微观组织仅局限于某一过冷度范围内。
2-3 电磁约束成形定向凝固技术(DSEMS)电磁约束成形定向凝固技术是将电磁约束成形技术与定向凝固技术相结合而产生的一种新型定向凝固技术.该技术利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料,并利用在金属熔体表层部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形.同时,冷却介质与铸件表面直接接触,增强了铸件固相的冷却能力,在固液界面附近熔体内可以产生很高的温度梯度,使凝固组织超细化,显著提高铸件的表面质量和内在综合性能.该方法目前还处于研究阶段。
三、应用由于超磁致伸缩材料, 在磁场作用下长度发生变化, 发生位移而做功; 在交变磁场作用下, 发生反复伸张与缩短, 从而产生振动或声波, 将电磁能( 或电磁信号) 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), 这样可以制成功率电- 声换能器、电- 机换能器、驱动器、传感器和电子器件等, 广泛应用于海洋、地质、航空航天、运输、加工制造、医学、计算机、机器人、仪器、电子及民品等技术领域。
3-1 在磁(电)- 声转换技术中的应用电磁波在液体和固体中因衰减过快无法应用, 而声信号在液体和固体中衰减较小, 因而成为液体和固体进行探测、通信、侦察和遥控的主要媒介。
发射和接收声信号的器件称为水声换能器, 是声纳的核心元件。
对于水声换能器来说, 发射的频率越低, 声信号在水中衰减越小, 传送距离越远, 受潜艇涂层噪音的干扰也较小。
为了提高声信号的分辨率, 还要求换能器具有较宽的频带响应和多指向性。
由于超磁致伸缩材料具有应变大、功率密度大、低频(<2 kHz) 响应好、频带宽等特点, 是制作大功率、小体积、低频、宽频带水声换能器的理想的材料。
因而超磁致伸缩材料的最早应用是作为水声换能器的核心材料, 用稀土超磁致伸缩材料制造的水声换能器其能量密度为压电换能器的10 倍, 工作距离超过104km, 是压电换能器的几十倍, 而且它还具有比传统材料低一半的声速。
3-2 在磁(电)- 机转换器件中的应用超磁致伸缩精密致动器是改善自动控制技术、提高产品精度及反应速度的新一代致动器, 具有输出力大、漂移小、移动范围大等特点。
它不仅能克服传统电致伸缩致动器的缺点, 而且其电机转换效率具有其它材料无法比拟的优势, 如在精密阀门、精密流量控制、数控机床、精密机床的给进系统方面, 用精密致动器,位移精确度可达纳米级, 响应速度快, 输出力大, 设计相对简单。
日本茨城大学江田弘和东芝公司的Kohayashi 合作设计了定位精度达到纳米级的超磁致伸缩致动器, 并将其成功地应用于大型光学金刚石车床的微进给装置。
3-3 在检测领域中的应用利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩正效应或逆效应可以制作检测磁场、应变、位移、扭矩、压力和电流等的传感器敏感元件。
利用稀土超磁致伸缩材料在磁场中产生应变的原理, 结合激光二极管或PZT 材料可以制成各种测磁仪。
1991 年美国开发出一种GMM 激光二极管磁强计, 精度为160×10-15A/m。
国内成功开发出磁场光纤传感器原型, 将磁场传感器由传统磁- 电类型升级为更可靠和灵敏度更高的磁- 光类型; 美国海军采用超磁致伸缩材料开发了磁致伸缩应变计, 它与传统的半导体应变计相比具有更大的动态范围、更高的灵敏度和精度, 并且它的温度依赖性小, 可测的频带更宽, 可测应变量最小达到3×10-10。