电致和磁致伸缩材料的功能
新型智能材料在机械设计中的应用
新型智能材料在机械设计中的应用在当今科技飞速发展的时代，新型智能材料的出现为机械设计领域带来了革命性的变化。
这些材料具有独特的性能和特点，能够赋予机械产品更高的智能化水平、更好的性能以及更广泛的应用前景。
新型智能材料的种类繁多，其中较为常见的有形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料和电致流变液等。
形状记忆合金是一种具有特殊性能的材料，它能够在特定条件下记住自己的原始形状，并在受到外界刺激后恢复到原始形状。
这种特性使得形状记忆合金在机械设计中有着广泛的应用，例如用于制造自动展开的结构、智能夹具以及医疗器械中的微型驱动器等。
压电材料则是另一种重要的智能材料，当对其施加压力时，会产生电荷；反之，当施加电场时，材料会发生形变。
利用这一特性，压电材料常用于制造传感器、执行器以及能量收集装置。
在机械设计中，压电传感器可以用于监测机械系统的振动、压力和加速度等参数，为系统的状态监测和故障诊断提供重要的数据支持；压电执行器则能够实现高精度的定位和控制，广泛应用于精密机械加工和微机电系统中。
磁致伸缩材料在磁场的作用下会发生长度的变化，其响应速度快、精度高，在机械设计中常用于制造高精度的线性驱动器、液压阀以及主动减震系统等。
电致流变液则是一种在电场作用下其粘度会发生显著变化的液体材料，通过控制电场强度，可以实现对液体粘度的精确调控。
这使得电致流变液在离合器、减震器以及智能液压系统中具有潜在的应用价值。
新型智能材料在机械设计中的应用带来了诸多优势。
首先，它们能够提高机械系统的智能化水平。
通过材料自身的感知和响应能力，机械系统可以实时监测自身的状态，并根据外界环境的变化自动调整工作状态，从而提高系统的可靠性和稳定性。
其次，新型智能材料的应用可以实现机械系统的小型化和轻量化。
由于这些材料具有高效的能量转换和传输能力，可以在较小的体积和重量下实现相同的功能，从而降低机械系统的整体尺寸和重量，提高其便携性和灵活性。
此外，新型智能材料还能够提高机械系统的性能和精度。
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。
磁致伸缩材料的应用课件PPT
场影响，导致宏观尺度上材料的形变。
磁致伸缩的微观机制
02
包括电子自旋磁矩的重新排列、原子或分子的振动和位移等。
磁致伸缩与温度的关系
03
磁致伸缩材料的性能受温度影响，不同温度下表现出不同的磁
致伸缩效应。
磁致伸缩材料的性能参数
磁致伸缩系数
衡量磁致伸缩效应的重要参数，不同材料具有不 同的磁致伸缩系数。
居里点
历史与发展
历史
磁致伸缩材料的研究始于19世纪，早 期主要应用于声纳、水声等领域。随 着科技的发展，磁致伸缩材料在能源、 航空航天、精密仪器等领域的应用逐 渐增多。
发展
近年来，随着环保意识的提高和新能 源技术的不断发展，磁致伸缩材料在 节能减排、振动控制、智能传感器等 领域的应用前景越来越广阔。
分类与结构
振动控制
减震器
磁致伸缩材料可以用于制造减震器，通过控制磁场强度来调节减震器的阻尼力，从而有 效抑制结构振动和噪音。
振动隔离器
利用磁致伸缩材料的逆磁致伸缩效应，可以实现主动振动隔离，提高设备的稳定性和可 靠性。
精密测量
磁场传感器
磁致伸缩材料可以用于制造高灵敏度的 磁场传感器，用于测量磁场强度和方向 ，广泛应用于物理、生物医学和地质等 领域。
分类
磁致伸缩材料主要分为金属型和复合型两类。金属型磁致伸缩材料主要包括镍、铁、钴等合金，复合型磁致伸缩 材料则是由铁磁颗粒与非磁性基体复合而成。
结构
磁致伸缩材料的微观结构对其性能具有重要影响。金属型磁致伸缩材料的晶体结构、相变温度、晶粒大小等都会 影响其磁致伸缩性能。而复合ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ磁致伸缩材料的颗粒大小、颗粒分布、基体相的物理性质等也会对其性能产生影 响。
磁致伸缩波导丝材料
磁致伸缩波导丝材料
磁致伸缩波导丝材料是一种新型材料，具有独特的磁性和形变特性。
该材料可以在外加磁场的作用下发生形变，从而改变其电学性质，实现信号的传输和处理。
这种材料在通信和计算机领域有着广泛的应用前景。
磁致伸缩波导丝材料的制备需要先将铁磁性材料与非铁磁性材料复合，然后通过拉丝工艺制备成丝状。
该材料的特殊结构使其具有优异的磁致伸缩性能，能够在磁场作用下呈现出明显的形变效应。
磁致伸缩波导丝材料的应用主要集中在微波器件和传感器领域。
它可以用于制造微波开关、微波调制器、微波滤波器等器件，还可以用于制造形变传感器、应变传感器等传感器。
这些器件和传感器具有体积小、响应速度快、精度高等优点，是现代通信和计算机技术中不可或缺的组成部分。
磁致伸缩波导丝材料是一种具有广泛应用前景的新型材料。
随着科技的不断进步，它在通信和计算机领域的应用将会越来越广泛。
大磁致伸缩材料用途
大磁致伸缩材料用途
大磁致伸缩材料是一种智能材料，其主要特点是可以通过外界磁场的作用来改变其形状和尺寸，具有重要的应用前景。
以下将从医疗、工业和科学研究三个方面来介绍其用途。
一、医疗应用
大磁致伸缩材料的磁致伸缩效应可以促进人体组织的生长和修复。
因此，它可以应用于人工器官、生物传感器、药物输送等方面。
例如，大磁致伸缩材料可以用于骨骼系统的修复，将其种植至损伤组织内，当外界的医疗磁场作用于其后，大磁致伸缩材料就可以促进骨骼的生长，促进受损组织的修复。
此外，大磁致伸缩材料还可以制备成仿生肌肉，可以用于制作运动感应器或积木附着器等。
二、工业应用
大磁致伸缩材料的主要应用领域是工业领域。
其可以被用于制造智能机器人、电缆、传感器、气压开关等，可以应用于大磁致伸缩材料的温度敏感和磁神经效应。
例如，在机器人领域中，大磁致伸缩材料可用于仿生臂和仿生手，在人体外观和操作能力方面都比较接近人类。
同时，大磁致伸缩材料汇有一定的速度和精度，在传感领域中，大磁致伸缩材料可以制备成扭曲传感器、剪切传感器等，广泛应用于工业自动化和智能制造等。
三、科学研究应用
大磁致伸缩材料在科学研究中也有很大的应用价值。
如在物理、化学、材料学等科研领域中，大磁致伸缩材料可以用于制备高频振子、纳米尺度的机械器件等，有利于研究更加微小或复杂的现象和材料性能。
同时，大磁致伸缩材料还可以应用于精密测试仪器，如量子纠结仪、光谱仪等，因其具有高度的灵敏度和稳定度。
总之，大磁致伸缩材料在医疗、工业和科学研究等领域中都有着非常广泛的应用前景，相信未来这一材料会在各个领域中发挥出更加重要的作用。
智能材料在航空航天中的应用研究
智能材料在航空航天中的应用研究在当今科技飞速发展的时代，航空航天领域作为人类探索未知的前沿阵地，对于材料的性能和功能提出了越来越高的要求。
智能材料的出现为航空航天技术的进步带来了新的机遇和挑战。
智能材料是指能够感知环境变化，并能通过自我判断和执行相应功能，对环境变化做出响应的材料。
这类材料具有独特的性能和广泛的应用前景，在航空航天领域发挥着日益重要的作用。
智能材料的种类繁多，常见的有形状记忆合金、压电材料、电致流变液、磁致伸缩材料等。
形状记忆合金是一种具有独特形状记忆效应和超弹性的材料。
当它在低温下被变形后，通过加热能够恢复到原来的形状。
这种特性使其在航空航天领域有着广泛的应用，例如用于制造飞机机翼的连接件、航天器的展开结构等。
在飞机飞行过程中，机翼形状的变化对于提高飞行性能至关重要。
形状记忆合金可以根据飞行条件的变化，自动调整机翼的形状，从而实现优化飞行性能的目的。
压电材料则是另一种重要的智能材料，它能够在受到压力时产生电荷，反之，当施加电场时会发生形变。
在航空航天领域，压电材料常用于制造传感器和驱动器。
例如，将压电传感器安装在飞机的结构中，可以实时监测飞机结构的应力和应变情况，及时发现潜在的结构损伤，保障飞行安全。
同时，压电驱动器也可以用于飞机的主动振动控制，减少飞行中的振动和噪音。
电致流变液是一种在电场作用下其粘度会发生显著变化的液体。
通过控制电场强度，可以实现对电致流变液流动性能的精确调控。
在航空航天领域，电致流变液可应用于飞机的减震系统。
当飞机遇到颠簸时，减震系统中的电致流变液能够迅速改变粘度，提供更好的减震效果，提高乘客的舒适度和飞行的稳定性。
磁致伸缩材料在磁场作用下会发生长度的变化。
利用这一特性，可以将其应用于航空航天领域的高精度定位和驱动系统。
例如，在卫星的姿态调整系统中，磁致伸缩材料能够根据磁场的变化精确地调整卫星的姿态，保证卫星的正常运行和通信。
智能材料在航空航天领域的应用不仅仅局限于单个部件的性能优化，还体现在整个系统的智能化和自适应控制方面。
稀土功能材料简介
稀土功能材料简介稀土元素具有独特的原子结构和化学性质，可以制备出多种具有特殊性能的功能材料。
本文将介绍一些主要的稀土功能材料。
1.稀土永磁材料稀土永磁材料是指利用稀土元素制成的永久磁性材料，具有高磁能积、高矫顽力和高最大磁能积等特点。
常见的稀土永磁材料包括钐钴永磁体和钕铁硼永磁体等。
2.稀土发光材料稀土发光材料是指利用稀土元素具有的独特电子结构，在激发条件下能够发出不同颜色和波长的光。
常见的稀土发光材料包括荧光粉、激光晶体和电致发光材料等。
3.稀土催化材料稀土催化材料是指利用稀土元素的化学活性，在催化剂或助剂中发挥作用，提高反应效率和产率。
常见的稀土催化材料包括汽车尾气处理催化剂、石油裂化催化剂等。
4.稀土超导材料稀土超导材料是指利用稀土元素的超导性能，在低温下具有零电阻和完全抗磁性。
常见的稀土超导材料包括镧钡铜氧化物等。
5.稀土储氢材料稀土储氢材料是指利用稀土元素的储氢性能，在吸氢状态下能够将氢气储存起来，并且可以在需要时释放出来。
常见的稀土储氢材料包括镧镍合金等。
6.稀土磁致伸缩材料稀土磁致伸缩材料是指利用稀土元素的磁致伸缩性能，在磁场作用下能够产生伸缩变化。
常见的稀土磁致伸缩材料包括铽铁氮合金等。
7.稀土抛光材料稀土抛光材料是指利用稀土元素的化学稳定性和微粒大小，在抛光液中发挥作用，使表面更加光滑亮丽。
常见的稀土抛光材料包括氧化铈颗粒等。
8.稀土玻璃添加剂稀土玻璃添加剂是指利用稀土元素的玻璃形成能力，在玻璃制造过程中改善玻璃的性能和光学性质。
常见的稀土玻璃添加剂包括镧玻璃、铈玻璃等。
电致伸缩和磁致伸缩
电致伸缩和磁致伸缩一、电致伸缩技术电致伸缩是一种通过施加电场来实现材料伸缩变形的技术。
它基于智能材料的电致变形效应，根据不同的电场强度和极性来调控材料的伸缩行为。
常见的电致伸缩材料包括压电材料、电致伸缩液晶和电致伸缩高分子等。
1.1 压电材料压电材料是最早被发现具有电致变形效应的材料之一，具有压电效应的材料在施加电场后会发生形变。
这种形变可以是线性的、非线性的或者是复合的，取决于材料的结构和电场的作用方式。
压电材料被广泛应用于超声波换能器、声波滤波器和伺服阀等领域。
1.2 电致伸缩液晶电致伸缩液晶是一种利用电场调控液晶分子排列以实现材料伸缩变形的技术。
通过改变电场的强度和方向，可以实现液晶分子的有序排列或者无序排列，从而引起液晶体的伸缩变形。
电致伸缩液晶在显示技术、光学调制和光学变焦等领域有着广泛的应用。
1.3 电致伸缩高分子电致伸缩高分子是一种能够在电场作用下实现形变的聚合物材料。
通过在高分子链上引入电活性基团或者电荷基团，可以实现高分子材料的电致变形。
电致伸缩高分子被广泛应用于人工肌肉、可穿戴设备和智能结构等领域。
二、磁致伸缩技术磁致伸缩是一种利用磁场来实现材料伸缩变形的技术。
它基于智能材料的磁致变形效应，根据不同的磁场强度和方向来控制材料的伸缩行为。
常见的磁致伸缩材料包括磁形记忆合金、磁流变流体和磁致伸缩复合材料等。
2.1 磁形记忆合金磁形记忆合金是一种具有磁致变形效应的智能材料，能够在磁场的作用下发生形变。
磁形记忆合金通常由镍、钴和铁等元素组成，在不同的磁场强度和方向下会产生不同的形变效应。
磁形记忆合金在医疗器械、航空航天和汽车工程等领域有着广泛的应用。
2.2 磁流变流体磁流变流体是一种能够在磁场的作用下改变流变性质的智能材料，通常由磁性粒子和悬浮介质组成。
通过改变磁场的强度和方向，可以调节磁流变流体的粘度和流动性，从而实现材料的伸缩变形。
磁流变流体被广泛应用于减震器、密封件和振动控制系统等领域。
智能材料在土木工程中的应用
智能材料在土木工程中的应用智能材料是指可以对外部刺激做出响应的材料，其具有高灵敏度、高精度和高可靠性等特点。
智能材料在土木工程中的应用已经得到了广泛的关注，它可以大大提高结构的可靠性、减少维修成本、延长使用寿命和提高安全性能。
本文将从智能材料的种类、土木工程中的应用和未来的发展方向等方面进行探讨。
一、智能材料的种类1.压电材料：压电材料是指在外部电场的作用下，能够发生机械变形的材料。
它的应用主要是在结构振动控制和能量回收等方面。
2.磁致伸缩材料：磁致伸缩材料是指在外部磁场的作用下，能够发生机械变形的材料。
它的应用主要是在结构振动控制、变形控制和形状记忆合金等领域。
3.形状记忆合金：形状记忆合金是可以在外部温度或应变作用下改变形状，且能够恢复原状的材料。
它的应用主要是在结构变形控制、形状记忆合金缓冲器和结构减震等领域。
4.纳米复合材料：纳米复合材料是指由两种或两种以上不同材料复合而成的材料。
它的应用主要是在结构增强、防爆材料和防弹材料等领域。
二、土木工程中的应用1.结构控制：智能材料可以通过改变材料内部的形态，实现对结构的控制。
在土木工程中，智能材料可以通过振动控制、形变控制和噪声控制等方式，对建筑物进行控制，提高其耐久性和稳定性。
2.结构监测：智能材料可以通过感应器、光纤传感器、纳米材料传感器等方式对结构的应变、应力、振动、温度等进行监测。
这将大大提高土木工程结构的安全性和可靠性。
3.结构减震：智能材料在土木工程中的另一个重要应用是减震。
智能材料可以通过振动控制和形变控制等方式来实现结构的减震和抗震性能的提高。
4.形状记忆合金缓冲器：形状记忆合金缓冲器是将形状记忆合金与缓冲器相结合，用于减轻结构的冲击和变形。
这种材料被广泛应用于桥梁、建筑物、地铁车站等土木工程项目中，可以有效地保护结构免受外部冲击的影响。
三、未来发展方向未来，智能材料在土木工程中的应用将会越来越广泛。
随着技术的不断进步，智能材料的精度和可靠性将会不断提高。
磁致伸缩材料及应用要点
超磁致伸缩材料优点
• （1）磁致伸缩系数大。 • （2）能量转换效率高。超磁致伸缩材料在49%~56%之
间，而压电陶瓷在23%~52%之间，传统的磁致伸缩材料仅 为9%左右。 • （3）居里温度在300℃以上。远比传统的磁致伸缩材料 高，可适用于较高的温度环境。 • （4）能量密度大。是Ni的400~500倍，是压电陶瓷的 12~30倍。 • （5）机械响应速度快。仅10-6s级且可电控。 • （6）承载能力大。可在强压力环境下工作。 • （7）工作频带宽。既适用于几十赫兹的低频又适用于 超高频。
谢谢大家！
磁致伸缩马达
• 1988年德国柏林大学的 L.Kiesewetter教授研制出 世界上第一台超磁致伸缩 马达。当移动线圈通入电 流且位置发生变化时, 超 磁致伸缩棒运动部分分别 在纵向和径向方向上产生 磁致伸缩应变, 使超磁致 伸缩棒交替伸缩, 像虫子 一样蠕动前进。它的最大 速度可达 20mm/s 并具有 驱动重载无反冲的优点。
磁致伸缩材料的特性
•
（1）焦耳效应。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。
•
（2）维拉里效应。在磁场中，给磁体施加外力作用
，由于形状变化，导致磁化强度发生变化。
•
（3）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。
•
（4）维德曼效应。在磁性体上施加适当的磁场，当
磁致伸缩材料及应用要点
磁致伸缩效应
• 19世纪40年代，焦尔发现：当磁性体（如金属Fe 、Ni）等的磁化状态改变时，其外型尺寸或体积 会发生微小的变化，这就是磁致伸缩效应，又称 焦尔效应。
• 磁致伸缩材料：具有磁致伸缩效应的磁(电) —机 械能转换材料。
磁致伸缩传感器原理
磁致伸缩传感器原理
磁致伸缩传感器是一种常见的物理传感器，它利用磁致伸缩效应来测量物体的形变或位移。
其工作原理可以简单分为以下几个步骤：
1. 磁致伸缩材料：磁致伸缩传感器通常由磁致伸缩材料制成，如铁磁合金。
这种材料在外加磁场作用下会发生形变，即沿着磁场方向伸长或缩短。
2. 磁场感应：传感器会产生一个磁场，并将其施加到磁致伸缩材料上。
这个磁场可以由一个磁体或电磁铁产生。
3. 磁致伸缩效应：当施加磁场时，磁致伸缩材料会发生形变。
其沿着磁场方向伸长或缩短的程度与施加的磁场强度成正比。
4. 位移测量：通过测量磁致伸缩材料的形变，可以推导出物体的位移或形变。
这可以通过附加在磁致伸缩材料上的传感器来实现，如应变片、电阻片或感应线圈等。
5. 信号处理：传感器产生的位移信号通常是微弱的，需要经过放大、滤波和数字化等处理，以便进行进一步的分析和应用。
总的来说，磁致伸缩传感器利用施加磁场后磁致伸缩材料的形变来测量物体的位移或形变。
它具有高精度、高灵敏度和快速响应的特点，广泛应用于工业自动化、测量仪器、机器人和医疗设备等领域。
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。
磁电效应及磁致伸缩铁电复合磁电材料
磁电效应的历史
1972年荷兰Philips实验室的Van Suchtelen首先把铁磁相如
CoFe 2O4与铁电相如BaTiO3；混在一起共熔原位复合制得了第 一个铁电—铁磁复合材料(磁电转换系数dE／dH值达163mV／ cm·Oe )。
从而可得到铁电钙铁矿层与铁磁性氧化物层交替排列的 新型纳米铁电铁磁复合体。
在铁电—铁磁复合材料的合成与制备中存在的问题
影响了材料的高性能和高可靠性。近年来软化学法作为
一种先进的材料制备方法，已经在功能陶瓷的制备方面
开辟了一种新的工艺路线，姚烹等就提出通过溶胶—凝
胶(s01—8e1)法、原位沉淀(in situ prec如tated)法制备纳米
具有磁电效应的材料
1. 单相材料 对于几乎所有的已经发现的磁电材料，, ME 系数都很低（aE约20
mV/cm Oe）而且在要求温度很低的条件下。随着使用温度升到居里 温度以上时，磁电系数降到零， 这使得他们很难在实际中得到应用。
磁电系数
E 感生的电场强度 H 为外加的磁场强度, 2. 复合材料
之间的乘积效应不能最大发挥出来
受Jungho 板上通过溅射
(Rspyuut思ter想in的g)、启化发，学K气．相H凝．聚Sh(iCnV等C在)法Pb沉(Z积r，了T一i)O层3(P铁Z电T)层薄
膜，也制备出了铁电—铁磁复合材料，但是这种方法实验设备昂贵，
制备条件苛刻。
新的制备方法
目前，原有的方法也不断地得到改善，然而不论是采
后来Van den Boomgaard等提出采用磁致伸缩/压电材料复合的方 法来实现磁电转换 H材a料rs提he高测了量许了多C（FO尽/P管ZT比复理合论材预料测a的E=结75果m小V许/cm多O）e, 比以前单相ME Srinivasan 测量了NFO/PZT 多层复合材料 ( using the tape casting technique.) aE 值达到了 1500 mV/cm Oe
磁致伸缩材料基本
2化合物为基体的合金
Tbo0．3Dy0．7Fe1．95材料（下面简称 T b－Dy— Fe材料）的λ达到1500~2000ppm，比前两类材料的λ大1~2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。
特点
和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸缩材料是佼佼者，它具有下列优点：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，比PZT材料高14~30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，可调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。
智能材料-磁致伸缩材料
5) 磁致伸缩变形的线性范围大。有利于磁致伸缩 量的准确控制，精度可达纳米级。 6) 频率特性好、频带宽。可在低频(几十赫兹)和高 频下工作。 7) 居里温度高，可适用于高温环境。 8) 具有逆磁致伸缩效应。可制作压力传感器，驱 动器和传感器可合为一体。 9) 稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时 间而变化，无疲劳，无过热失效问题。
磁致伸缩效应的表征
★磁致伸缩系数 在磁化过程中，磁体沿磁化方向单位长度上 发生的长度变化——线磁致伸缩系数λ。
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λ＝Δl / l
l ——磁体的原始长度 Δl——磁化后长度的改变 λ与测量方向有关
∥磁场方向—纵向磁致伸缩系数λ∥（默认）
⊥磁场方向—横向磁致伸缩系数λ⊥
λ是磁场和温度的函数 温度一定，λ的绝对值随磁场增大而增大，达 到饱和磁化时，达到一稳定的饱和值 —— 饱和 磁致伸缩系数λs（常数）。 λs可正、可负 铁：随磁化强度M的增加沿磁化方向伸长，正λs； 镍：随磁化强度M的增加沿磁化方向缩短，负λs。 λs的方向性 单晶体：各向异性，默认平行于磁场方向的λs； 多晶体：各向同性，各晶粒λs的统计平均值。
29
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6 超磁致伸缩合金的制备
一、合金棒材、定向晶33
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35 磁致伸缩液位传感器 磁致伸缩位移传感器
稀土超磁致伸缩材料的智能化应用 电磁能 (或电磁信息)
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机械能或声能 (或机械位移信息或声信息)
用作：功率电－声换能器、电－机换能器、传感器和 电子器件等。 应用领域：水声声纳技术、电声换能器技术、海洋探 测与开发技术、微位移驱动、精密定位、减振(噪)与 防振(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。 军民两用、高附加值
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。
金属功能材料
金属功能材料
金属功能材料是指具有特殊功能和性能的金属材料，可以在各个领域广泛应用。
下面介绍几种常见的金属功能材料。
1. 变形记忆合金：变形记忆合金是一种具有形状记忆效应和超弹性的金属材料。
它可以在受力作用下发生形态变化，但在去除力后可以恢复到原来的形状。
这种材料具有自修复能力，可以广泛应用于医疗器械、航空航天等领域。
2. 导电性增强型复合材料：这种材料将金属纤维或导电纤维与非金属基体复合而成，既具有金属的导电性能，又具有非金属材料的轻质、高强度等特点。
这种材料可以用于制造导电纤维、电子器件等，广泛应用于电子、通信等领域。
3. 磁致伸缩材料：磁致伸缩材料是在外加磁场作用下发生伸缩变形的金属材料。
它具有快速响应、大变形和高精度等特点，广泛应用于精密仪器、传感器等领域。
4. 喷涂涂层材料：喷涂涂层材料是一种特殊的金属材料，主要用于防腐、防磨损等功能。
这种材料可以通过喷涂的方式形成一层保护膜，能够有效延长金属材料的使用寿命。
5. 高温合金：高温合金是一类能够在高温环境下工作的金属材料，具有优异的高温强度、耐腐蚀性和抗氧化性能。
这种材料广泛应用于航空、航天、化工等领域。
以上是几种常见的金属功能材料，它们在各自的领域具有独特
的功能和性能，对于促进科技进步和经济发展起到了重要的作用。
随着科技的不断进步，金属功能材料的应用前景将会更加广阔。
磁致伸缩材料
膨胀材料
热膨胀是指材料的长度或体积在不加外力时随温度的升高而变大的现
象。 材料热膨胀的本质是原子间的平均距离随温度的升高而增大，即是由 原子的非简谐振动引起的。 材料热膨胀系数的大小与其原子间的接合键强弱有关，结合键越强， 则给定温度下的热膨胀系数越小，材料中陶瓷的结合键（离子键和共价键） 最强，金属的（金属键）次之，高聚物的（范德华力）最弱，因此热膨胀 系数依次增大。 常用的膨胀材料包括低膨胀材料、定膨胀材料和热双金属材料
激光器
自1960年梅曼研制出第一台红宝石激光器以来，激光器的研制和应用有 了飞速发展，在工业、医疗、民用、国防等领域应用广泛。 激光器主要由三部分组成：激光工作物质、激励能源、光学共振腔。 1）工作物质是激光器的核心，只有能实现能级跃迁的物质才能作为激光 器的工作物质。 2）激励能源（光泵） 作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激 发到高能级的外界能量。 3）光学共振腔是激光器的重要部件，其作用一是使工作物质的受激辐射 连续进行；二是不断给光子加速；三是限制激光输出的方向。 根据激光工作物质，可把激光器分为气体激光器、固体激光器、分子激 光器、半导体激光器等。
常用热电偶材料
热电偶材料 铜-康铜 镍铬-镍铝 铂铑-铂 钨-铼 金铁
适合温度范围 -200-400℃ 适合温度范围 <1300℃ 适合温度范围 <1350℃ 短期可达1600 ℃ 适合温度范围 <2500℃ 短期可达2800 ℃ 适合温度范围 -269-0℃
低温热电偶
适合温度范围 -270-高透明 固体材料
总外径 125~200μm
包层 折射率较纤芯 低 固体材料
全反射现象
一切光纤的工作基础都是光的 全反射现象。 如果一束光投射到折射率分别 为n1和n2的两种媒质的界面上 时（设n1>n2 ），入射光将分 为反射光和折射光。入射角φ1 与折射角 φ2之间服从n1/n2=sin φ1/sin φ2 的折射定律。 当φ1增大时，φ2也相应增加， 当φ2 =π /2， φ1=arcsin(n2/n1) 时，入射光全部返回原来的介 质中，这种现象叫做光的全反 射。
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电致和磁致伸缩材料的功能1 电致材料1.1 电致伸缩效应电致伸缩效应是一种机电祸合效应它是指当外电场作用于电介质上时, 所产生的应变正比于电场强度或极化强度的平方的现象由于电致伸缩效应引起的应变与外加电场的方向无关, 所以一般固体电介质都能产生电致伸缩效应。
1.2 电致伸缩材料电致伸缩效应在一切固体电介质中都有, 但其大小不同因为应变正比于介电常数的平方, 所以铁电体在其相变温度附近应该有较大的应变从应用上看, 要求加一个不太强的电场, 能够产生足够大的应变, 而且应变与电场的关系没有滞后, 重复性好, 同时还要求温度效应小为此, 应该选择介电常数大并属于扩散相变的材料此外还要求平均居里温度在室温以下, 接近室温, 扩散区较长目前, 大部分铁电体及一些非铁电体如石英、碱卤晶体等材料的电致伸缩系数都已经测量到了，已经发现电致伸缩效应显著的材料有：铌镁酸铅一钦酸铅固溶体（PMN-PT）,铌镁酸铅一钦酸铅一铌锌酸钡固溶体（PMN-PT-BNZ）,掺钡的错钦酸铅(Ba2PZT),掺翻的锆酸铅（La2PZT）。
1.3 电致伸缩材料的发展方向一、多元化压电陶瓷按其所组成的固溶体的化合物成分构成可分为一元系压电陶瓷, 如钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)和偏铌酸铅(Pb(NbO3)2)等;二元系压电陶瓷, 如目前使用最多的锆钛酸铅(xPbZrO3-(1- x )PbTiO3或Pb(Zr x Ti1-x O3)),这是目前使用最为广泛的PZT 系列压电陶瓷;三元系及多元系压电陶瓷,通常是在具有钙钛矿型结构的PZT二元系中再加入第三种或第四种化学通式为ABO3型化合物而形成三元系或多元系固溶体,以获得所需要的宽性能调节范围, 得到不同性能参数的压电陶瓷,以满足不同的市场需求。
与PZT 压电陶瓷相比,三元系或多元系压电陶瓷的烧结性能良好,不但烧成温度范围宽,而且PbO 挥发也少,陶瓷的工艺重现性好,易获得气孔率少的致密陶瓷体,可获得具有高机械强度和电气性能, 及在某些方面有显著特点的压电陶瓷。
因此多元系压电陶瓷已成为众多研究机构开发热点之一,已开发的品种可达几十种,可见其发展之迅速。
目前,我国广东佛陶集团在开发PZN-PNN-PZT体系多元系压电陶瓷方面已取得很大进展。
二、精细化采用微细粉制备压电铁电陶瓷,可极大地提高其各方面的机械性能和电气性能。
近几年来,许多国家都在积极开展高技术陶瓷及其粉体工艺的研究和生产。
高技术陶瓷在日本被称为精细陶瓷,是继金属和塑料之后的第三代新材料。
据商业通讯公司(BBC) 的统计, 美国 1994 的精细陶瓷市场值达6184 亿美元。
而日本是精细陶瓷的研究和生产大国,市场应该比美国更为巨大,我国政府把精细陶瓷列为国家陶瓷材料发展的重点项目之一。
影响我国陶瓷发展的重要因素之一是粉体的生产加工落后,体现在专用粉体生产缺乏,产量低,质量稳定性差,这是我国精细陶瓷业发展的一个“瓶颈”。
目前,这种状况已有所改善, 国内近几年已有几家大型粉料专业生产厂建成投产, 且产业发展势头很猛。
但电子陶瓷特别是敏感元件所需粉体的专业生产企业仍很缺乏。
三、单晶化单晶压电体因其特殊的组织结构而表现出与多晶体很大的材料性能方面的差别。
最初的单晶压电体SiO2、LiNbO3、LiTaO3已广泛应用于振荡器、声表面波器件等领域,但与PZT陶瓷相比,这些单晶体的压电性能较差,难有更广泛的应用。
1997年美国滨州大学和TRS公司的Seung2Eek Park等人研制PMN-PT和PZN -PT单晶,这些单晶体表现出优异性能,引起了该领域的强烈震动,被称为“铁电材料的一次激动人心的突破”,国际权威学术刊物《SC IENCE》作了特别报道,人们的注意力纷纷转向此类具有重要实用意义及巨大市场前景的新材料。
我国上海硅酸盐所用改进的Brideman法生长的新型弛豫型铁电完整单晶PMNT尺寸达到直径40 mm×80 mm ,其中PMNT67/33单晶的应力5300,介质损耗小于0.16% ,其机电耦合因数k达0164。
单晶压电体具有十分优异的压电性及电致伸缩性,显著优于传统的PZT 及PZNT陶瓷。
该晶体在电声转换应用中可使医用超声传感器及海军声纳传感器的带宽显著加宽、分辨率大为提高。
它们也可用作新型复合装甲的超声无损检测及空调、汽车飞机等的振动控制。
四、微膜化微机电系统是一个应用前景广阔的新兴技术领域,而微驱动器是微机电系统的关键技术之一。
传统的压电材料及工艺因受到尺寸的限制,很难适应电子器件向微型化和集成化方向发展的要求。
近年来,低温沉积PZT薄膜已成现实,利用其压电特性已制作出各种微型传感器、微型驱动器,其中压电微电机作为一种新型微驱动器在医用微器械、微型精密定位、微型机器人等领域有着重要应用。
许多薄膜制备工艺都可用于制备压电薄膜,从目前报道的文献来看,溅射法、溶胶-凝胶法和水热法是用于这一目的的3种主要方法。
溅射法获得的薄膜,其结构与性能受溅射时的气压、衬底温变、气体流量、溅射功率等因素的影响较大、溶胶-凝胶法已广泛用于制备各种压电薄膜,其制备大于10μm的厚膜较困难。
水热法制作大10μm的厚膜较容易,水热法制作PZT厚膜时,用Pb(NO3)2ZrOCl2和KOH为原料,以Ti作衬底,PZT膜的Ti由衬底提供,把这些材料放在高压釜中,160 C反应48h,气压为607Pa和950 Pa,并使高压釜旋转,可获得无针孔的PZT 压电薄膜。
五、绿色化传统的压电铁电陶瓷,大多是含铅陶瓷,其中氧化铅(或四氧化三铅)约占原料总质量的70%。
含铅压电铁电陶瓷在制备、使用过程中,都会给环境和人类带来损害。
因此,发展非铅基的环境协调性的压电铁电陶瓷,具有重大实用意义。
日本、法国、俄罗斯、中国以及韩国的科技工作者, 都在抓紧研究非铅基压电铁电陶瓷材料。
目前,可选择的非铅基压电铁电陶瓷体系主要有:以BaTiO3与BaMO3或K(Nb,Ta)O3组成的二元系陶瓷;以NaNbO3与A2+NbO6或B2+TiO3组成的二元系陶瓷; (Ba1/2N(1/2))TiO3(BNT)与钛酸盐或铌酸盐组成的二元系;根据Semolensky原则,结合工艺改性和掺杂, 选择新的陶瓷材料体系。
随着人们生态环境保护意识的提高和社会可持续发展战略的实施,环境协调型压电铁电陶瓷的研究必将进一步深入。
发展性能良好的非铅基压电铁电陶瓷,将是压电铁电陶瓷的一次革命。
然而, 目前已取得的进展离人们的要求相距甚远,非铅基压电铁电陶瓷的实用化,仍有待陶瓷材料科学家和相关科技人员的不懈努力。
2 磁致伸缩材料2.1 磁致伸缩效应所谓磁致伸缩是铁磁物质(磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。
大家知道物质有热胀冷缩的现象。
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（或效应）。
2.2磁致伸缩材料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，如镍和金煤（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Tbo0．3Dy0．7Fe1．95材料（下面简称 T b－Dy— Fe材料）的λ达到1500~2000ppm，比前两类材料的λ大1~2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。
特点和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸缩材料是佼佼者，它具有下列优点：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，比PZT材料高14~30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，可调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。
技术上的应用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。
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。
海洋占地球面积的70％，海洋是人类生命的源泉，但是人类对海洋的大部分还缺乏了解。
21世纪是海洋世纪，人类的生活、科学实验和资源的获及将逐渐的从山陆地转移到海洋。
而舰艇水下移动通讯、海水温度、海流、海底地形地貌的探测就需要声纳系统。
声纳是一个庞大的系统，它包括声发射系统，反射声的接收系统，将回声信息转变成电信息与图像，以及图像识别系统等。
其中声发射系统中的水声发射换能器及其材料是关键技术之一。
过去声纳的水声发射换能器主要用压电陶瓷材料（PZT）来制造。
这种材料制造的水声换能器的频率高（20kHz以上），同时发射功率小，体积大，笨重。
另外随舰艇隐身技术的发展，现代舰艇可吸收频率在3．0kHz以上的声波，起到隐身的作用。
各工业发达国家都正在大力发展低频（频率为几十至2000赫兹），大功率（声源级约220dB）的声纳用或水声对抗用发射水声换能器，并已用于装备海军。
低频可打破敌方舰艇的隐身技术，大功率可探测更远距离的目标，同时体积小，重量轻，可提高舰艇的作战能力。
低频大功率是声纳用和水声对抗用发射水声换能器今后的发展方向。