第7章2磁致伸缩材料讲解

微小的变化，这种现象称为磁致伸缩
磁致伸缩有三种表现： ☞沿着外磁场方向尺寸的相对变化称为纵向磁致伸缩；
☞垂直于外磁场方向尺寸的相对变化称为横向磁致伸缩；
☞磁体体积的相对变化称为体积磁致伸缩。
磁致伸缩系数
磁致伸缩系数：
l / l
磁致伸缩的大小与外磁场强度有关 饱和磁致伸缩系数S S>0 ：正磁致伸缩，如铁 S<0 ：负磁致伸缩，如镍
参 合 数 λS K1 K2
金
TbFe2 ＋ － ＋
DyFe2 ＋ ＋ －
HoFe2 ＋ ＋ －
性能优异的Terfenol.D材料
材料名称 Terfenol. D
密度 /(103kg.m-3)
弹性模量/ 声速 居里温 -1 10 （10 N.m） /(m.s ) 度/℃
磁（电）致 伸缩/10-6
机电耦合 因子/K33
材料 磁致伸缩常数 9106 60106 40106 70106 40106 60106 110106 稀 土 化 合 物 系 材料 TbFe2 Tb-30%Fe SmFe2 Tb(CoFe)2 Tb(NiFe)2 TbFe3 DyFe2 磁致伸缩常数 1.753103 1.590103 1.560103 1.487103 1.151103 6.93104 4.33104
1300 1300
960 960
压电陶瓷 2号
机电耦合系数k33：它是表征磁致伸缩材料或器件把电磁能转换成机械贮存能的效率的量度
7.2.3 超磁致伸缩机制
磁致伸缩量
4f电子云
稀土元素的磁性来自4f电子，4f电子在图中的点影范围内运动 外加磁场时，电子云状态发生变化，致使四面体之间的引力
发生变化，导致超磁致伸缩
S
磁致伸缩产生的机制
未加磁场时，磁畴随机取向，不显示宏观磁性
外加磁场后，磁偶极子趋于同向排列。 与（a）图相比，（b）图处于低能状态，更加稳定
于是，由（a）态变为（b）态，产生了磁致伸缩效应
从磁致伸缩到超磁致伸缩
Ni，坡莫合金，铁氧体等磁致伸缩材料可作成音响变振因
子等器件，但磁致伸缩常数仅为10-5量级
该方法的优点是可制备复杂形状和各种尺寸的产品，
缺点是由于显微组织不理想而导致磁致伸缩性能稍差
7.2.5 磁致伸缩材料的应用
磁致伸缩材料的应用基础
Joule效应：磁性体被外加磁场磁化时，其长度发生变化，可用 来制作磁致伸缩制动器。
Villari效应：形状的变化引起磁性体磁化强度发生变化，即逆磁 致伸缩现象，可用于制作磁致伸缩传感器。 dE效应：杨氏模量随磁场变化而变化，可用于声延迟线。 Viedemann效应：在磁性体上形成适当的磁路，当有电流通过时， 磁性体发生扭曲变形，可用于扭转马达。 Anti-Viedemann效应：使磁性体发生机械扭曲，且在二次线圈中 产生电流可用于扭转传感器。
但是REFe2合金的磁晶各向异性能很高，使用时需要强磁场及大型 电磁铁，因此实际应用存在一定的困难。REFe2的各向异性常数有 正有负，于是利用符号相反的REFe2相互补偿，可以获取较低磁晶 各向异性能的磁致伸缩材料 目前为止，有最佳磁致伸缩特性和实用价值的是被称为Terfenol-D的 Tb-Dy-Fe系合金
金 属 合 金 系
Fe Co Ni Co-40Fe Fe-13Al Fe3O4 CoFe2O4
铁 氧 体 系
NiFe2O4
vibrocs
26106
28106
Pr2Co17
a-TbFe2 （a表示非晶态）
3.36104
3.08104
7.2.2 超磁致伸缩材料
到目前为止，已发现的超磁致伸缩材料主要有以下几类： （1）稀土金属
磁致伸缩量大，但居里温度低
（2）稀土-过渡金属间化合物
解决了稀土距离温度低的问题
（3）非晶薄膜合金
优良的软磁性，低磁场下磁致伸缩性能优良
（4）稀土氧化物
在低温下，有很大的磁致伸缩
（5）锕系金属化合物
在低温下，有很大的磁致伸缩，但居里温度低
稀土-过渡金属系超磁致伸缩合金
稀土-过渡金属系是最有前途的超磁致伸缩合金，其中REFe2系化合 物磁致伸缩应变大，居里温度高，是最主要的合金系；
在这些领域，以PZT为代表的电致伸缩材料因其响应性好， 伸缩量大等优点占据着主导地位。 20世纪70年代，成功开发出磁致伸缩常数达10-3量级的TbFe2 磁致伸缩效应材料，称这种现象为超磁致伸缩效应
ຫໍສະໝຸດ Baidu随后又开发出三元稀土化合物TbDyFe系列，其具有磁致伸
缩值高、居里温度高、磁晶各向异性能小等优点
重要物质的磁致伸缩常数
Jump效应：系超磁致伸缩材料，外加预应力时，磁致伸缩随外 场而有跃变式增加，磁化率也改变
磁致伸缩用于声纳
“科林斯科”级攻击潜艇
声纳用于油田探测
磁致伸缩液位仪
磁致伸缩液位仪
磁致伸缩液位仪工作原理
应用在伺服机构中
伺服机构在机器人技术中的应用
磁致伸缩传感器
磁致伸缩可用于制备称重、测力、扭矩传感器等
磁致伸缩后的变形
磁致伸缩后的晶胞
<111>方向
原始晶胞
RFe2晶胞发生<111>方向磁致伸缩后的变形
7.2.4 超磁致伸缩合金的制备
合金棒材制备的主要方法
①压力差法 ②合金熔体顺序凝固法
定向晶及单晶制备的主要方法
①Bridgman法
②区熔法
③提拉法
粉末冶金方法制备
（1）合金粉末直接烧结法 （2）磁场热处理烧结法 （3）其他粉末冶金方法
磁导 率/
能量密度/ （J.m-3）
9.25
8.90 5.6 7.5
2.65
20.6 11.3 11
1690
4900 4150 3100
387
354 125 300
1500~2000
33 80 400
0.72
0.16~0.25 0.45 0.68
9.3
14000~25000
纯镍 （>98%）
压电陶瓷 1号
7.2 磁致伸缩材料
磁致伸缩效应及机理在3.1节中已经详细地介绍，本
节主要介绍磁致伸缩材料及相关应用：
7.2.1
7.2.2
磁致伸缩材料概述
超磁致伸缩材料
7.2.3
超磁致伸缩的产生机理
7.2.4 超磁致伸缩合金的制备
7.2.5 超磁致伸缩材料的应用
磁致伸缩
磁性材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生