磁致伸缩材料在功能材料中的应用
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。
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。
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
二维反铁磁 磁致伸缩
二维反铁磁磁致伸缩二维反铁磁磁致伸缩随着科技的不断发展，人们对材料的性能与应用需求也越来越高。
磁性材料作为一类重要的功能材料，其性能的研究一直备受关注。
二维反铁磁磁致伸缩现象是一种磁性材料的特殊现象，它在功能材料的设计和应用中具有重要的意义。
磁致伸缩效应是指材料在磁场的作用下发生形变的现象。
一般来说，磁致伸缩效应在铁磁材料中比较常见，例如铁、镍等金属。
但是在反铁磁材料中，磁致伸缩效应往往很弱或者不存在。
然而，二维反铁磁材料却展现出了令人惊奇的磁致伸缩效应，这为材料科学领域带来了新的机遇和挑战。
二维反铁磁材料是指晶格结构中存在着反铁磁性的材料。
反铁磁性是指材料中存在两个相互耦合的反平行磁矩，导致材料没有自发磁化的现象。
二维反铁磁材料的磁致伸缩效应是指在外加磁场的作用下，材料的尺寸发生可逆的变化。
这种变化可以是线性的，也可以是非线性的，取决于材料的特性和外加磁场的强度。
二维反铁磁材料的磁致伸缩效应主要是由于磁矩的重新排列引起的。
在没有外加磁场的情况下，材料中的磁矩是有序排列的，呈现出反平行的形式。
当外加磁场作用于材料时，磁矩会发生重新排列，导致材料的尺寸发生变化。
这种变化可以通过测量材料的长度、宽度或厚度来得到。
二维反铁磁材料的磁致伸缩效应在材料工程和器件设计中具有广泛的应用前景。
首先，磁致伸缩效应可以用于制备高精度的磁力传感器和执行器。
通过控制磁场的强度和方向，可以实现对材料尺寸的精确控制，从而实现微米级的位移和形变。
这对于微纳器件的制备和微操纵具有重要意义。
磁致伸缩效应还可以用于制备自适应材料和智能材料。
通过将二维反铁磁材料与其他材料相结合，可以实现材料的自适应性能。
例如，将二维反铁磁材料与聚合物复合，可以制备出具有可调节形状和尺寸的智能材料。
这种材料可以根据外界环境的变化自动调节形状和尺寸，具有很大的潜力在生物医学和机械工程领域应用。
二维反铁磁材料的磁致伸缩效应还可以用于能量转换和传感器领域。
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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etism &Magn etic Materials .Changs ha ,1999.567(in Ch inese )][10]蒋成保,周寿增,张茂才等.材料研究学报,1998,12:482[J ian g C B ,Zhou S Z ,Zh an g M C et al .Chin es e Journal of Material R es earch ,1998,12:482(in Chinese )][11]Wu G H ,Zhao X G ,Wang J H et al .Ap pl .Ph ys .Lett .,1995,67:2005[12]Zhao X G ,Wu G H et al .Ap pl .Phys .,1996,79:6226[13]贺西平,李斌,周寿增.兵器材料科学与工程,1998,21:62[He X P ,L i B ,Zh ou S Z .Ordn an ce Material Science an d En -gineerin g ,1998,21:61(in Chines e )][14]Mal ekzade M ,Picku s M R .US Patent 4.1979.152,178[15]Clark A E ,Bels on H S .US Paten t 4.1983.378,258[16]Liu H Y ,Li Y X ,W u G H et al .Ap pl .Ph ys .,2002,91:8213[17]Lim S H ,Kim S R ,Kang S Y et al .Magn .Magn .Mater .,1999,191:113[18]W u C H ,Yan g C P et al .Magn .Magn .Mater .,1997,166:249[19]Mohan Ch V .Alloys Comp .,1996,236:184[20]W u L ,Zhan W S et al .Magn .Magn .Mater .,1995,139:335[21]Ren W J ,Zhan g Z D et al .Appl .Ph ys .Lett .,2003,82:2664[22]Li Y F ,S hen B G ,Zh an W S et a l .Alloys Comp 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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)。
电致和磁致伸缩材料的功能
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。
国内外超磁致伸缩材料及作动器的
科技信息1.超磁致伸缩材料的特点与应用1.1超磁致伸缩材料的特点磁致伸缩材料主要有三大类：磁致伸缩的金属与合金、铁氧体磁致伸缩材料和稀土金属间化合物磁致伸缩材料。
前两种称为传统磁致伸缩材料，其磁致伸缩应变过小，没有推广应用价值。
而稀土金属间化合物磁致伸缩材料也称为稀土超磁致伸缩材料。
与其他智能材料相比，稀土超磁致伸缩材料具有以下特点：应力负载大（可达700MPa）、能量转换率高（机电耦合系数可达0.75）、温度适应范围宽（小于200℃）、响应快（微秒级）、驱动电压低（小于30V）等。
另外具有频率特性好，工作频带宽；稳定性好，无疲劳，无过热失效等优点。
因此有专家认为，稀土超磁致伸缩材料可广泛应用到机械、电子、航天、农业等其他领域,是21世纪的战略材料。
1.2超磁致伸缩材料的应用分析迄今已有1000多种超磁致伸缩材料器件问世，应用面涉及航空航天、国防军工、电子、机械、石油、纺织、农业等诸多领域，大大促进了相关产业的技术进步。
超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景，国外已用超磁致伸缩材料来制造出超大功率的超声波换能器。
日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断层分析系统和海洋气候声学温度测量系统的水声发射换能器，可用于测量海水温度和海流的分布图。
德国材料研究所已将超磁致伸缩薄膜材料应用于微型泵的研究之中。
随科技发展的日新月异，超磁致伸缩材料的重要性必将越来越突出，应用也将更广泛。
预计未来超磁致伸缩材料的应用领域包括航空航天、超精密机械加工、海洋工程、汽车制造、石油产业等。
1.3超磁致伸缩材料在我国的研究与应用在国内，北京钢铁研究总院于1991年率先制备出GMM棒材，此后又开展了低频水声换能器、光纤电流检测、大功率超声焊接换能器等的研究。
北京科技大学采用具有自主知识产权的一步法工艺和设备生产稀土超磁致伸缩材料,减少了过程污染,杂质和氧含量低,合金成分控制准确,提高了材料的性能和产品的一致性；同时易于实现自动化控制,生产效率比传统工艺提高了100-150倍,成本大大降低。
磁致伸缩材料介绍
磁致伸缩材料介绍磁致伸缩材料的工作原理可以追溯到19世纪末期发现的磁致伸缩效应。
这一效应是当材料置于磁场中时，其磁导率的改变导致了尺寸的变化。
在正常情况下，材料呈现伸缩效应，即在磁场中会发生延长或收缩。
这种材料的伸缩能力与磁场的大小和方向有关。
磁致伸缩材料具有许多独特的特性。
首先，它们具有良好的力学性能，能够承受较大的应力和应变。
其次，磁致伸缩材料对磁场响应迅速，具有较高的响应速度。
此外，这些材料具有优异的耐疲劳性能和长寿命，可以在频繁的循环工作下长时间使用。
磁致伸缩材料在许多领域有广泛的应用。
其中一个主要领域是医疗器械。
磁致伸缩材料可以用于设计和制造可植入的医疗器械，如人工心脏瓣膜和血管支架。
与传统材料相比，磁致伸缩材料具有更好的生物相容性和可调节性能，可以更好地适应人体的需要。
另一个重要的应用领域是机械工程。
磁致伸缩材料可以用于设计和制造精密的运动控制系统、精密仪器和机器人等。
由于其高精度和高反应速度，磁致伸缩材料可以实现更精准的位置控制和动态响应。
磁致伸缩材料还可以用于航空航天领域。
在航空航天器的设计中，磁致伸缩材料可以用于调节舰船和导弹的翼展、改变航天器的形状和调整天线的方向等。
这些应用可以提高飞行器的机动性和操作灵活性，提高其在空中的性能。
除了上述的应用领域，磁致伸缩材料还被广泛应用于声学和振动控制、智能材料和结构、电磁阻尼器和电磁发电等领域。
它们的应用潜力还在不断扩大。
虽然磁致伸缩材料已经取得了很大的进展，但仍存在一些挑战。
当前的磁致伸缩材料需要较大的磁场才能实现可观的尺寸变化，并且在高温和压力环境下表现不稳定。
此外，材料的制备成本仍然很高，限制了其在大规模工业应用中的推广。
为了克服这些挑战，未来的研究和发展方向主要包括三个方面。
首先，需要开发新型的磁致伸缩材料，具有更好的磁敏感性和稳定性，能够在较低的磁场下实现更大的尺寸变化。
其次，需要优化材料的制备工艺，降低成本并提高生产效率。
最后，需要加强与其他领域的交叉研究，开发多功能材料和系统，实现更广泛的应用。
超磁致伸缩材料开发和应用动向
金 属 功 能量 变换 型减 振 材料 ， 另一类 则是 通过相 位 变换 来实 现减 振 功能 的材 料 。能 量 转换 型减 振 材料 又 可划 分 为约束 型 、 非约 束 型、 粉粒 型和 固体摩擦 型 ， 约束 型 和非 约束 型 是当前 可 工业 生 产 而且 性 能稳 定 的减振 材 料 。在约 束 型减振 材 料之 中包括 有磁性 材料类 ， 中又有磁性 橡胶 和塑 料磁体 ， 其 即是将 磁性材料 层夹在 约束 板 与基板 之 问制成 的复合减 振板 。约束 型减振 层 复合 板是 把橡 胶 系 、 脂 系 、 胶 沥 青 系或 海 棉系 （ 沫塑 树 橡 泡 料） 之类减 振 材料 层夹 于（ 过一 薄层 粘 结剂 ） 通 约束 板 与基 板 中 间制成 的 复合板 。另 一种 约束 型 减振 板则 是 把橡 胶 系或树 脂 系减振 材料 层与 一层 蜂 窝状材 料 通过 粘结剂 层结合 在 约束板 和基 板 中间。非约 束型减 振材 料 ， 括将 磁 体 、 性橡胶 或 塑料磁 体之 类磁性 材 料层 与基 板 复合 的减振 板 ： 有 将 橡胶 系 、 包 磁 还 树脂 系 、 涂料 系 或铅 之类减 振 层通 过粘 结剂 或利用 热熔 敷法 与基 板 复合的非 约束 型减振 板 ， 是投 有 约束板 的双层 复合 板 。 都 固体摩 擦 型减 振 材料是 由基 板和与 基板振 动传 播 速度 不同 的异 种材 料组合 在一起 的复合 板 。粉 粒体型 则是 将干砂 粒 之类 颗粒 层覆 盖于 基板上 的减 振 材 料 。相 位 变换 型 减 振 系统 是 指 与 动 态减 振 器组 合 在 一起 的 系 统 。高分子 系减振 材料 受温 度的影 响很 大 ， 以受 使用 环境 的限制很 大 。减振材 料 的应用 范 围很广 ， 括汽 所 包
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
智能材料有哪些及应用
智能材料有哪些及应用智能材料是一类具有自响应、自感知和自调节能力的材料。
它们能够根据外界环境的变化，改变自身的性质和形态，实现某种特定的功能。
智能材料的应用非常广泛，涵盖了多个领域。
一、形状记忆材料（Shape Memory Materials）：形状记忆材料是一种能够在外部刺激作用下改变自身形状，并且能够恢复到初始形状的材料。
该类材料主要包括两种类型：一种是单向形状记忆材料，它只能在一个特定的温度范围内发生形状改变；另一种是双向（多向）形状记忆材料，它可以在不同的温度范围内发生形状改变。
形状记忆材料的应用包括潜艇舵翼、医疗器械、飞机机翼表面和建筑结构等。
二、智能涂料（Smart Coatings）：智能涂料指的是具有自我修复、防污、防腐蚀和环保等功能的涂料。
智能涂料能够根据外界环境的变化，改变其表面特性以达到一种特定的功能。
智能涂料的应用广泛，例如自我修复涂料可以应用在汽车漆面修复、船体表面防腐等领域。
三、压电材料（Piezoelectric Materials）：压电材料是一种具有压电效应的材料，即当外力作用于该材料时，会在其内部产生电荷，从而产生电势差。
压电材料广泛应用于声、光、电、热转换和传感器等领域。
例如应用在医学领域的超声波传感器、压电陶瓷维修剂等。
四、磁致伸缩材料（Magnetostrictive Materials）：磁致伸缩材料是在外磁场作用下，能够发生形变的材料。
通过改变外磁场的强度和方向，可以控制材料的形变。
磁致伸缩材料的应用领域包括电磁换能器、声学器件、传感器、振动控制和精密仪器等。
五、光敏材料（Photosensitive Materials）：光敏材料是指能够对光信号进行感应和响应的材料。
光敏材料的特点是在光照射下，其电、磁、光、热等性质会发生变化。
光敏材料广泛应用于成像、激光技术、显示器件、光敏电导等领域。
六、电致变色材料（Electrochromic Materials）：电致变色材料是一种可以通过外加电压改变其颜色的材料。
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。
磁致伸缩材料的设计和应用
磁致伸缩材料的设计和应用磁致伸缩材料是一种具有特殊性能的功能材料，可以在外加磁场的作用下发生形变，即可以实现磁致伸缩。
磁致伸缩材料具有广泛的应用前景，在机械工程、电子工程、医疗和生命科学等领域都有重要的应用。
本文将从磁致伸缩材料的设计和应用两个方面进行介绍。
首先，磁致伸缩材料的设计是实现其性能优化和应用扩展的关键。
磁致伸缩材料通常由两大类组成：一类是通过添加磁致伸缩微粒或纳米晶颗粒到传统金属材料中实现磁致伸缩效应；另一类是利用磁性材料特有的结构和相互作用实现磁致伸缩效应。
在具体的设计中，需要考虑以下几个方面。
首先，材料的磁致伸缩效应与其磁特性有关，所以需要选择具有良好磁性能并符合特定应用要求的磁性材料作为基材。
例如，镍基合金是一种常用的磁致伸缩材料，因为它具有良好的磁性能和热稳定性。
其次，需要选择合适的微粒或纳米颗粒作为磁致伸缩增强剂，并控制其粒径和含量以实现最佳效果。
例如，添加合适粒径的铁基或铁氧体微粒可以显著增强材料的磁致伸缩效应。
此外，材料的晶体结构和化学成分也会对磁致伸缩效应产生影响，所以需要进行相应的调控和优化。
其次，磁致伸缩材料具有广泛的应用前景。
在机械工程领域，磁致伸缩材料可以用于制造高精度控制元件，例如电磁驱动器、电磁阀和精密仪器等。
这些元件可以利用磁致伸缩的特性实现快速的运动和高精度的控制。
在电子工程领域，磁致伸缩材料可以用于制造磁性传感器和磁性存储器等设备。
磁致伸缩材料还可以在医疗和生命科学领域发挥重要作用。
例如，可以利用磁致伸缩材料制造可控的药物输送系统，用于实现精确的治疗和药物释放。
总之，磁致伸缩材料的设计和应用是一个复杂而多样化的领域。
通过合理选择和优化材料的组成和结构，可以实现材料性能的提升和应用范围的扩展。
磁致伸缩材料的广泛应用将在不同领域带来许多有益的效果和发展机会。
随着科学技术的不断进步和材料研究的不断深入，磁致伸缩材料在未来将有更加广阔的发展空间。
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。
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。
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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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。
表1示出了这几种材料的分类和特点。
表1 磁致伸缩材料的分类
材料分类组成
磁致伸缩
系数λ/10-6
特点
金属与合金铁
氧体传统磁致伸缩
材料
镍基合金(Ni，Ni-Co，
Ni-Co-Cr等)和铁基合金
(Fe，Fe-Ni，Fe-Al，
Fe-Co-V等)
Fe3O4，Mn-Zn铁氧体，
Ni-Co铁氧体，Ni-Co-Cu
铁氧体
20~80
磁致伸缩系数小，
居里温度高，机械
性能好
稀土金属间化
合物超磁致伸缩材
料
Tb-Dy-Fe，SmFe 1500~2000
磁致伸缩系数大，
材料抗拉伸能力
弱，质地较脆
FeGa合金新型磁致伸缩
材料
FeGa ~400
磁致伸缩系数较
大，强度高，脆性
小
3.应用
磁致伸缩材料具有电磁能与机械能的转换功能，是重要的能量与信息转换功能材料，特别是声纳换能器的重要材料[4-5]，在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、燃油喷射技术微传感器、微振动器及微马达等工程领域中有着广泛的应用前景，在国民经济和工业生产中起着越来越重要的作用。
3.1海洋探测与开发
在水下声音的传播速度是1433m/s，是在空气中传播速度的4.3倍，声讯号是人们进行水下通讯探测侦察和遥控的主要媒介。
发射和接收声波的声纳装置，其核心元件一般由压电陶瓷或磁致伸缩材料制成。
图3为声纳原理示意图。
发展稀土超磁致伸缩材料对发展声纳技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。
Tb-Dy-Fe材料与压电陶瓷PZT相比有以下几个优点：输出功率大、工作温度高、低电压驱动、滞后小、不老化、响应频率低、低频信号在水下衰减小，传送距离远等，从而使得Tb-Dy-Fe已经在声纳系统首先得到应用。
由于声纳对潜艇的重要性，美国的磁致伸缩材料的研究由美国海军武器研究中心直接参与并控制，他们在磁致伸缩材料研究和军事应用方面都处于领先地位。
Fe-Ga合金具有优异的的力学性能使得用Fe-Ga合金制造的声纳装置在承受水下冲击和爆炸性能方面具有得天独厚的优势。
图3 声纳原理图
用超磁致伸缩材料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有很好的应用前景[6-8]。
瑞典ABB公司和挪威一家公司合作开发油井测，海底测绘用的Terfenol-D声纳，将Terfenol-D的优良的低频声学特性和压电陶瓷的高频特性相结合，可以制作出性能更好的声振动传感器[9]，其频响宽，单向性好。
图4 微型振动器的设计原理图
3.2微振动器
由于Fe-Ga合金具有良好的可加工性、韧性和较大的抗拉强度，可以加工成所需的各种形状，只需要施加较低的磁场便可使Fe-Ga合金材料产生变形，使得微型振动器的设计得以实现。
这种振动器具有如下优点：①良好的力学性能；②结构简单且易于装配；③驱动线圈电阻小，驱动电压低；④涡流损耗小；⑤具有较大的工作温度范围。
图4是微振动器的示意图。
3.3高能快速微型位移执行器
超磁致伸缩材料不仅能输出较大的应力而且响应速度快，因此可以用于高能快速微型机械的设计，用稀土超磁致伸缩材料制造的微位移驱动器，可用于机器人、自动控制、超精密机械加工、红外线、电子束、激光束扫描控制、照相机快门、线性电机、智能机翼、燃油喷射系统、微型泵、阀门、传感器等。
3.4减震与防震
磁致伸缩材料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。
超磁棒可用于开发宏观的力传感器或压力传感器。
日本东芝公司发明了用磁致伸缩薄膜做的动态范围大、响应快的扭矩传感器，其灵敏度比传统金属电阻薄膜制成扭转应变计高10倍。
利用逆磁致伸缩效应(机械能反转为磁能)原理，可为马达和精密仪器设计阻尼减震系统。
无损检测利用磁致伸缩材料发射机械弹性波，机械波在被检测件内传播遇到缺陷时部分被反射回检测点从而被传感器检测到。
这种技术可以用来检测斜拉大桥桥梁钢索，工业管
道等。
图5为磁致伸缩导波检测器。
图5 磁致伸缩导波检测器
3.5微型传感器
在微观领域里，薄膜和微机电系统结构制备技术显著地减小了超磁致传感器的尺寸和成本，提高了超磁致传感器的灵敏度和鲁棒性。
特别是Fe-Ga 具有较强的韧性，能够在硅衬底上外延沉积使得它非常适合在微观传感器领域中的应用。
超磁致Fe-Ga合金纳米线在小型声传感器中同样具有广阔的应用前景。
如图6所示，它能通过提高纵横比来外延分解声波信号的各种频谱，其灵敏度可以控制在较小的频带内。
图6 应用Fe-Ga合金纳米线技术的声波信号频谱外延分解原理图
结论：作为一种重要的功能材料，磁致伸缩材料在改变外磁场时长度及体积均会发生变化。
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。
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