第7章2磁致伸缩材料讲解
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。
磁致伸缩原理PPT课件
exx
(12
1 3
)
eyy
2 2
1 3
ezz
2 3
1 3
B 2 (exy12 eyz23 ezx31)
磁弹性能表达式
其中
B1
N
l r
r0
,
B2 2Nl
用晶格应变和磁畴的磁化强度方向表示的能量，被称为磁弹性能。
体心立方晶格 面心立方晶格
B1
8 3
Nl
,
B2
8 9
N l
l r
r0
系，为磁化强度与[001]方向的夹角。应变
片在[001]和[111]方向测量，可分别得到100 对3.93％V-Ni(010)园盘样品所测磁致伸缩与角
14、磁致伸缩
铁磁性物质的形状在磁化过程中发生形变的現象，叫磁致伸缩。由磁 致伸缩导致的形变l / l 一般比较小，其范围在10-510-6之间。虽然磁致 伸缩引起的形变比较小，但它在控制磁畴结构和技术磁化过程中，仍 是一个很重要的因素。
l /l 随外磁场增加而变化，最终达到饱和 。
产生这种行为的原因是材料中磁畴在外场作用
其中C11,C44和C12是弹性模量。
系统总能量为
E Emagel Eel
平衡条件是系统总能量为最小，
求平衡条件： E 0
eij
解左边的联立方程组，得到平 衡时的应变为
在( 1,2,3 )方向覌察到的伸长量为
l l
exx 12
eyy
2 2
ezz 32
exy 12
eyz 23
ezx31
wx
l rr0exx (12源自1 3)l1
2exy
l31ezx
同样对y和z方向的自旋对，有
磁致伸缩材料的性质和应用
磁致伸缩材料的性质和应用近年来，随着科技的不断发展，磁致伸缩材料也逐渐成为了热门研究领域之一。
磁致伸缩材料简单来说就是指在磁场的作用下产生形变的材料。
它通过磁场的调控来控制其形态和大小，具有很强的应用前景。
本文将探讨一下磁致伸缩材料的性质和应用。
一、磁致伸缩材料的性质磁致伸缩材料的最显著性质就是其具有良好的磁致伸缩效应。
即进行电磁控制时，材料会出现明显的形变。
这种效应是由几种因素共同作用导致的。
首先是晶体结构的改变。
磁场的作用下，晶体的格点结构会产生改变，使得晶体的尺寸发生相应变化。
其次是磁滞行为。
磁致伸缩材料在磁化过程中会产生磁滞现象，也就是在磁场强度相等的情况下，其磁矩大小会因之前历史磁场的影响而不同。
最后是弹性变形。
在磁场的作用下，磁致伸缩材料中的应力和应变也会发生相应变化。
除了磁致伸缩效应外，磁致伸缩材料还有一些其他的性质。
例如，它们具有优异的磁学性能，能够在高频下表现出优秀的磁性。
此外，磁致伸缩材料的电学性质也很好。
一些研究发现，在外加电场的作用下，磁致伸缩材料的磁致伸缩效应也会发生相应变化。
二、磁致伸缩材料的应用由于磁致伸缩材料具有良好的磁致伸缩效应和其他一些优异的性质，所以在实际应用中具有广泛的前景。
以下列举了几个常见的应用场景：1. 精密仪表磁致伸缩材料具有很高的灵敏度，能够测量非常微小的力量或形变。
因此，它们被广泛应用于各种精密仪表的测量和控制中。
例如，磁致伸缩传感器可以用于制作高精度的压力、温度、速度等传感器，其精度比传统的传感器高得多。
2. 压电陶瓷近年来，磁致伸缩材料已经开始被应用于压电陶瓷领域。
因为磁致伸缩材料具有很好的磁致伸缩效应和良好的电学性能，可以用于制作更高性能的压电陶瓷材料。
这种材料可以用于制作高效的声波发生器、探头等。
3. 磁性材料磁致伸缩材料也被广泛应用于制备磁性材料。
这种材料通常用于磁盘驱动器、磁头等。
磁性材料可以被制作成具有特定磁场强度的线圈、磁体等阵列，用于测量、控制磁场等。
磁致伸缩材料的详细说明
磁致伸缩材料的详细说明随着现代科技的飞速发展，产品性能的不断提高，对于零加工精度的要求也越来越高。
因此，作为先进制造技术的重要组成——精密加工和超精密加工技术，已成为当前制造技术的研究热点和重要发展方向之一。
微位移驱动器作为精密、超精密加工中微定位、微进给系统的核心，其性能指标的好坏，将直接影响加工产品的质量。
近年来，超磁致伸缩材料（giant magnetostrictive material，简写为GMM）作为一种新型高效的电（磁）能—机械能转换材料在微位移驱动领域的应用正越来越得到关注。
GMM是指三元稀土铁系化合物（一般地，x＝0.3，y＝1.95），国外产品牌号为Terfenol-D。
它在室温和低磁场下能产生很大的磁致伸缩应变，其磁致伸缩系数λ最大可达，磁机耦合系数大于0.6。
同时，该材料还具有快的响应速度（达到μs级）、很强的带载能力及低的磁致伸缩各向异性等优点。
在利用超过磁致伸缩材料的磁致伸缩效应开发的超磁致伸缩驱动器（giant magnetostrictive actuator，GMA）具有输出力大、输出位移大、响应速度快、控制电压低、结构简单、体积小等优点，在精密、超精密加工领域有着广阔的应用前景。
1 超磁致伸缩材料厂驱动器的结构与工作原理1.1超磁致伸缩材料的磁一机本构方程对于超磁致伸缩材料，选择磁场强度H、温度T、应力σ作为独立变量，磁感应强度B、应变ε作为因变量，可得相应的磁一体本构方程：（1）式中：S是恒磁场、恒温下的弹性柔顺系数矩阵；D是恒应力、恒温下磁致伸缩应变系数矩阵，下标t表示矩阵的转秩；α是恒磁场、恒应力下的热膨胀系数矩阵；p是恒磁场、恒应力下的热转换系数矩阵；μ是恒应力、恒温下的磁导率系数矩阵。
对中、小功率超磁致伸缩微位移驱动器而言，一般采用其轴向磁致伸缩方程，若忽略各类能量损失且控制GMM棒工作于恒温状态（即）时，式（1）矢量式就变成标量形式：（2）式中，和分别为GMM棒轴向的应变、柔顺系数、应力、动态磁致伸缩系数、磁场强度、磁感应强度和磁导率。
磁致伸缩的应用及原理
磁致伸缩的应用及原理简介磁致伸缩是一种利用磁性材料在磁场作用下发生形变的现象。
磁致伸缩技术的应用范围广泛，涵盖了多个领域。
本文将介绍磁致伸缩的原理，并探讨其在各个领域的应用。
原理磁致伸缩是基于磁性材料在磁场中发生形变的特性。
当磁性材料受到磁场的作用时，磁性材料内部的磁畴会发生转变，从而引起材料的形变。
这种形变可以是线性的、径向的，也可以是体积的压缩或膨胀。
磁性材料通常包括铁磁性材料和磁形状记忆合金。
铁磁性材料在磁场作用下呈现出明显的磁致伸缩效应，可用于制造磁致伸缩传感器和磁致伸缩执行机构。
磁形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的特殊材料，它可以通过磁场改变其形状和尺寸。
磁致伸缩的原理可以用经典磁致伸缩模型来描述。
该模型基于磁矩的转向，将应变与磁场的矢量积相关联。
根据这个模型，磁致伸缩的应变可以用以下公式表示：ε = V/H * dH/dl其中，ε表示应变，V表示磁致伸缩系数，H表示磁场强度，l表示磁性材料的长度。
从公式可以看出，应变的大小与磁致伸缩系数、磁场强度以及磁性材料的长度有关。
应用磁致伸缩传感器磁致伸缩传感器是利用磁致伸缩效应来测量变化的传感器。
它可以通过测量磁性材料的形变来感知环境的变化。
磁致伸缩传感器广泛应用于测量应变、压力、力矩等物理量。
磁致伸缩执行机构磁致伸缩执行机构是利用磁致伸缩效应来实现力学运动的装置。
通过控制磁场的强度和方向，可以控制磁致伸缩材料的形变，从而实现机械运动。
磁致伸缩执行机构广泛应用于精密定位、机器人、微观操纵等领域。
磁致伸缩材料磁致伸缩材料在电子设备、汽车工业、航空航天等领域都有广泛应用。
在电子设备方面，磁致伸缩材料可以用于制造压电陶瓷、声表面波滤波器等元器件。
在汽车工业方面，磁致伸缩材料可以应用在刹车系统、悬挂系统等部位，提高汽车的性能和安全性。
在航空航天领域，磁致伸缩材料可以用于制造形状可变机翼、自动调谐结构等。
结论磁致伸缩是一种利用磁性材料在磁场作用下发生形变的现象。
《磁致伸缩原理》课件
这个PPT课件将向您介绍磁致伸缩原理，包括其描述、应用、结构、制备技 术，以及研究现状和发展趋势。
磁致伸缩效应的描述
磁致伸缩效应是指当一种材料处于磁场中时，其尺寸会发生变化的现象。这种效应是由材料内部的微观 磁结构的改变引起的。
磁致伸缩效应的应用
磁致伸缩效应具有广泛的应用领域。它可以用于制造精密仪器和传感器、调节和控制设备、以及开发新 型的机械和电子元件。
目前，磁致伸缩元件的研究正在不断发展。研究人员正在致力于提高元件的 灵敏度、稳定性和可靠性，并探索更多新的应用领域。
结论
磁致伸缩原理是一项重要的科学发现，其应用潜力巨大。随着研究的深入和 技术的进步，磁致伸缩元件将在更多领域缩元件通常由磁性材料和弹性材料组成。磁性材料的磁性可以通过外部磁场来控制，从而改变元 件的尺寸。
磁致伸缩元件的制备及关键技 术
制备磁致伸缩元件的关键技术包括合金的选择和合金热处理，以及元件的加 工和装配技术。这些技术的发展对提高元件的性能至关重要。
磁致伸缩元件的研究现状和发 展趋势
磁致伸缩材料及铁磁体性质
磁致伸缩材料及铁磁体性质一.铁磁体的性质首先要了解下述有关效应：1.磁滞效应：铁磁体在磁化过程中，磁感应强度总是落后于磁场强度的现象称为磁滞效应。
从物理学的知识可以知道，由于磁滞现象的存在，处于交变磁场中的铁磁体有能耗-磁滞损耗存在，这种能耗最终以热能形式散发掉。
假定对铁磁体施加的外加交变磁场是圆频率为ω的简谐量，则：H→=Hm·e jωt（这里上标“→”表示盖参数为矢量，下同）由于存在磁滞效应，与H相应的磁感应强度为：B→=Bm·e j（ωt-φ1）（式中φ1称为动态磁滞损耗角）这样，磁场强度与磁感应强度之间的比例系数--交变磁导率必为一个复磁导率μ→：μ→=B→/H→=μ·e-jφ1式中μ=Bm/Hm称为复磁导率的模，或称动态磁导率，为了和此动态磁导率相区别，我们把稳恒磁场的磁导率称为静态磁导率，以μ表示。
2.涡流效应：铁磁体通常也是导电体，由于磁感应强度的变化，在铁磁体内将有感应电流--涡流产生。
涡流的出现必将阻碍材料的磁化而且使能耗也随之增加，这会使得动态磁导率μ比不存在涡流时更小。
这里顺便提一句：在涡流检测技术中利用的是涡流效应，但在磁致伸缩效应中，这种涡流效应则是起到损耗能量的作用。
考虑磁滞损耗与涡流损耗同时存在的情况时，复磁导率可表示为：μ→=B→/H→=μX·e-j（φ1+φ2）式中μ为动态磁导率，X为涡流去磁系数，φ2为涡流损耗角。
3.磁致伸缩效应：实际上，磁之伸缩现象能同时引起多种变化，其主要表现可以归纳如下：由磁化引起的机械性变形（应变）中包括有：一元变化（材料沿磁场方向的伸缩--焦耳效应；材料垂直于磁场方向的伸缩--焦耳横向效应和因磁化而使材料发生扭曲--Guillemin效应）；扭曲变化（因纵向磁场及其周围的周向磁场的作用而被磁化时产生的扭曲现象--Wiedemann效应以及已受扭曲产生永久性变形的材料在纵向或周向被磁化时产生的扭曲现象）；体积变化（由磁化引起的体积变化--Bernett效应）。
磁致伸缩材料介绍
Tb-Dy-Fe超磁致伸缩合金研发及技术储备磁致伸缩现象：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，其尺寸又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。
磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）λ来描述，λ＝（lH —lo）／lo， lo为原来的长度，1H为物质在外磁场作用下伸长（或缩短）后的长度。
一般铁磁性物质的λ很小，约百万分之一，通常用 ppm代表。
例如金属镍（Ni）的λ约40ppm。
磁致伸缩材料分类：磁致伸缩材料主要有三大类：①磁致伸缩的金属与合金，如镍和（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）；②铁氧体磁致伸缩材料，如 N i－Co和 Ni－Co－Cu铁氧体材料等。
上述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。
③近期发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材料（GMM）。
以（ Tb，Dy）Fe2化合物为基体的合金 Tb0．3Dy0．7Fe1．95材料（Tb －Dy－Fe材料）的λ达到1500—2000ppm，比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料的λ大1—2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。
Tb-Dy-Fe合金特点：和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，它具有下列优点：1、磁致伸缩应变λ比纯 N i大50倍，比PZT材料大5—25倍，比纯 Ni和 Ni－Co合金高400—800倍，比PZT材料高14—30倍；2、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；3、能量转换效率（用机电耦合系数 K33表示，即由磁能转换成机械能的比例）高达70％，而 Ni基合金仅有16％，PZT材料仅有40—60％；4、其弹性模量随磁场变化而发生变化并可以调控；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；5、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。
【先进材料基础-磁致伸缩效应】什么是磁致伸缩效应
【先进材料基础-磁致伸缩效应】什么是磁致伸缩效应《先进材料基础》结课论文磁致伸缩效应专业班级姓名学号授课教师引言磁致折叠式效应是指材料在外加磁场条件伸缩下的变形。
磁致伸缩效应于19世纪（1842年）被英国科学家詹姆斯.焦耳发现。
他观察到，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。
结电容伸缩效应的原理小磁畴的旋转被认为是磁致伸缩效应改变长度的原因。
磁畴旋转以及更进一步定位导致了材料结构的内部应变。
结构内的应变应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于反之亦然磁致伸缩效应）。
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。
增强磁场可以以使越来越多的磁畴在磁场方向更为和准确的重新定位。
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差异的理想化。
磁畴的重新定位的物理背景在于简要、纲要性的描述（如图2）。
在0和1区间之间，提供的磁场很小，磁畴几乎不体现其定位模式。
由材料如何形成所下决心的内容或许是其通常的定位形式的一小九部分，显出其永久性的偏磁性。
其导致的应变与磁致开合材料的基本结构和材料化学成分均匀性有很大联系。
在1-2区间，我们设想，应变与磁场之间存在几乎趋于线性的关系。
因为关系简单，容易预测材料的性能，所以，大部分设备被设计工作于这个区间。
曲线超过点2后，应变与磁场关系又变为线性，这是由于大部分电介质已经按照磁场前进方向的方向排列整齐。
在点3，出现饱和现象，阻止了应变的进一步增加。
磁致伸缩效应分成线磁致伸缩重量和体积磁致伸缩，磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，更慢但其长度的变化比体积变化快得多，所以人们所研究应用的主要对象是延伸线磁致伸缩，而体积磁致伸缩由于变化量很小，在测量和研究中会很少考虑，线磁致伸缩的变化量级为10～10。
磁致伸缩材料的详细说明
2） 电阻小，易产生涡流损耗，故高频特性较差，一般在低频工况下使用;
3） 性脆，抗拉强度低，使用时通常要施加预压力；
4） 在正负磁场的作用下，超磁致伸缩材料均具有伸长变形特征，其变形量与磁场的关系为非线性。
1.2驱动器结构设计及工作原理
根据超磁致伸缩材料的驱动性及磁路原理，采用台州市椒光稀土材料有限公司提供的国产Terfenol-D棒材，研制了超磁致伸缩位移驱动器。
所研制的超磁致伸缩微位移驱动器工作原理可简述为：当给激励线圈通有电流时，由电磁感应原理将产生驱动磁场，从而驱动超磁致伸缩Terfenol-D棒的伸长或缩短，通过输出顶杆，对外将产生输出位移。此外，通过给偏置线圈施加适当的电流，产生所需的偏置磁场，以消除“倍频现象”；通过预压机构对超磁致伸缩材料提供合适的预压力，提高机磁耦合系数和磁致伸缩系数；通过冷却机构以保持驱动器在恒温下工作，减少温度变化对驱动器工作的影响。
1 超磁致伸缩材料厂驱动器的结构与工作原理
1.1超磁致伸缩材料的磁一机本构方程
对于超磁致伸缩材料，选择磁场强度H、温度T、应力σ作为独立变量，磁感应强度B、应变ε作为因变量，可得相应的磁一体本构方程：
（1）
式中：S是恒磁场、恒温下的弹性柔顺系数矩阵；
D是恒应力、恒温下磁致伸缩应变系数矩阵，下标t表示矩阵的转秩；
3 结论
在分析GMM工作特性的基础上，研制了超磁致伸缩微位移驱动器，通过建立测控系统进行实验获得了驱动器相关的性能参数：当给驱动器加载150N的预压力，通以1.6A电流以实现 的偏置磁场时，驱动器具有最理想的线性位移输出，且输出位移范围可达40μm以上，如果在长时间连续运行中保证GMA的定位精度则需引入高精度温控装置。实验结果表明所研制的驱动器满足实现微位移高精度控制的基本性能要求。
磁致伸缩原理
磁致伸缩原理
磁致伸缩原理指的是指材料在磁场作用下发生尺寸的变化。
根据这一原理，当某些材料被置于磁场中时，其尺寸会发生微小的变化，通常呈现出伸长或收缩的特征。
这种现象是由于材料内部的磁畴在磁场的作用下发生重新排列而引起的。
磁致伸缩现象是由背离完全反磁性或完全顺磁性的材料产生的。
当材料在磁场中处于铁磁态或亚铁磁态时，通过改变外部磁场的大小或方向，可使其发生一定程度的伸长或收缩。
这种变形可以是微观与宏观尺度上的，具体取决于材料的特性。
磁致伸缩的原理可通过磁畴的重新排列来解释。
当材料处于无外部磁场时，其磁畴通常是无序排列的。
然而，当外部磁场施加在材料上时，这些磁畴会重新排列，从而使材料的尺寸发生微小的改变。
这是由于磁畴重新排列所引起的磁畴壁的移动，进而导致材料产生伸长或收缩。
磁致伸缩原理有许多实际应用。
例如，磁致伸缩材料可以用于制造压电陶瓷材料，用于制造传感器和执行器等器件。
此外，磁致伸缩原理还可以应用于声音的产生和控制等领域。
通过利用材料在磁场中的伸缩特性，可以实现对声音的放大或消除。
总的来说，磁致伸缩原理是一种基于材料在磁场中发生尺寸变化的现象。
通过改变外部磁场，可以实现对材料的伸长或收缩。
这一原理在多个领域有广泛的应用，并为制造各种器件和实现声音的控制提供了新的可能性。
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。
磁志伸缩材料
磁致伸缩材料是在磁场的作用下可以发生较大变形的新型磁功能材料。
一、磁致伸缩原理1、磁致伸缩效应线磁致伸缩体磁致伸缩体磁致伸缩的量很小，ω可由应变张量S 的分量表示：332211S S S ++=ω2、磁致伸缩的唯象理论3、自发磁致伸缩的计算铁磁体在局里温度以下，要发生自发磁化，使晶体发生结构变化。
在居里温度以上是立方晶系的铁磁体材料，自发磁化后，由于磁化方向不同，分别畸变为不同的晶格。
二、磁致伸缩的微观理论1、从自由能极小的观点来看，磁性材料的磁化状态发生变化时，其自身的形状和体积都要发生变化，因为这样才能使系统的总能量最小。
原因：1）自发磁致伸缩交换积分J 与n r d 的关系是一曲线（Slater-Bethe 曲线）2）磁场诱发的磁致伸缩当磁场比饱和磁化场S H 小时，样品的形变主要是长度的改变（线磁致伸缩），而体积几乎不变；当磁化场大于饱和磁场S H 时，样品的形变主要是体积的改变，即体积磁致伸缩。
说明：1、目前，认为引起线性磁致伸缩的原因是轨道耦合和自旋轨道耦合相叠加的结果2、在外磁场作用下多畴磁体的磁畴要发生畴壁移动和磁畴转动3）形状效应 退磁能V NM S 2)21(4)稀土离子超磁致伸缩的起源超磁致伸缩主要起源于稀土离子中局域的4f 电子。
说明：1、由于4f 电子受外界电子的屏蔽作用，所以轨道与自旋耦合作用比稀土离子和晶格场的作用要大1-2个数量级。
与3d 过渡族金属不同，稀土离子的轨道角动量并不冻结。
2、稀土离子的4f 电子轨道是强烈的各向异性，在空间某些方向伸展的很远，在另外一些方向又收缩的很近。
2、磁致伸缩的原子模型3、磁致伸缩的单离子模型说明：磁致伸缩的唯象理论可以从宏观形变的角度解释铁磁体的变化，但无法解释产生磁致伸缩的微观机制。
这需要从晶体结构、磁性离子的占位和电子结构参数出发，来计算磁致伸缩的大小。
目前，对过渡金属、铁氧体和稀土类材料的磁致伸缩，已有一些理论解释，其中较为成功的为单离子模型。
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。
铁钴合金磁致伸缩-概述说明以及解释
铁钴合金磁致伸缩-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以简要介绍铁钴合金磁致伸缩的概念和背景，以引起读者的兴趣和理解。
以下是一个可能的概述部分的内容：概述铁钴合金磁致伸缩是一种重要的功能材料，它在现代科技领域中具有广泛的应用前景。
磁致伸缩是指在外加磁场作用下，材料的尺寸会发生可逆性变化的现象。
铁钴合金磁致伸缩材料因其优异的磁性和机械性能，以及较宽的工作温度范围，已经成为磁性材料领域的研究热点。
铁钴合金磁致伸缩材料的磁致伸缩效应主要是由其晶格结构和微观磁结构的变化引起的。
在外加磁场的作用下，铁钴合金磁畴的排列和相互作用发生改变，导致材料的长度或体积发生明显变化。
这一特性使得铁钴合金磁致伸缩材料在微机电系统、精密测量、智能材料等领域具有重要的应用潜力。
然而，铁钴合金磁致伸缩材料的研究和应用仍面临一些挑战和限制。
例如，材料的组织结构和合金配比对磁致伸缩效应的影响尚未完全理解，制备工艺和加工技术需要不断改进，以提高材料的性能和可控性。
此外，应用领域的需求也对铁钴合金磁致伸缩材料提出了更高的要求，如在极端环境下的稳定性和抗疲劳性能等。
因此，进一步的研究和技术改进将推动铁钴合金磁致伸缩材料的发展。
本文将重点介绍铁钴合金的基本特性和磁致伸缩效应的原理，以及铁钴合金磁致伸缩材料在各个领域中的应用前景。
此外，还将探讨铁钴合金磁致伸缩材料的发展趋势和面临的挑战，以期为该领域的研究和应用提供一定的参考和指导。
1.2文章结构1.2 文章结构本文主要围绕铁钴合金磁致伸缩展开讨论，通过以下几个方面来介绍和探讨这一主题：1. 铁钴合金的基本特性：在这一部分，我们将深入探讨铁钴合金的组成、结构和性质，包括其磁性、导电性以及力学性能等方面。
对于读者来说，了解铁钴合金的基本特性是理解后续磁致伸缩效应的原理以及应用前景的重要基础。
2. 磁致伸缩效应的原理：在本节中，我们将介绍什么是磁致伸缩效应以及其基本原理。
首先，我们会解释什么是磁致伸缩效应，即材料在外加磁场作用下会发生形变的现象。
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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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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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；
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
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
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。