稀土超磁致伸缩材料的研究
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。
超磁致伸缩材料性能测量实验
２０ ０ ８年 １ ２月
物 理 买 验
ＰＨＹＳＩ ＣＳ ＥＸＰＥＲＩ ＥＮＴＡ ＴＩ Ｍ ＯＮ
Ｖ ０ｌ ２ Ｉ ８
Ｎｏ． ２ １
Ｄｅ ．， ０ ｃ ２ ０８
超 磁 致伸 缩 材 料 性 能测 量 实 验
陈 宜保 ， 文翰 ， 王 杨 翔 ， 元金 ， 合 英 ， 文博 何 王 孙
外， 还应 不断关 注 和物理 学相关 研究 的前 沿领 域 ，
图 １ 铁 磁 体 的线 磁 致 伸 缩 示 意 图
及 时将一 些和 物理学 密切 相关 的实 验 内容和方 法
引入 到教 学之 中， 实验 内容 和 实 验 技术 反 映 科 让
实 验系统 中采用 电阻应 变法 测量 磁致 伸缩 系 数 ．将 电 阻应 变 片 直接 粘 贴 到 样 品 表 面 ， 电阻应 变 片是 一种 将 应 变 变 化 转 变 为 电 阻 变 化 的传 感
（ 清华 大学 物理 系， 北京 １ ０ ８ ） ０ ０ ４
摘 要： 采用 比较 法和 电桥 法 测 量 了 Ｔ ｒ ｎ ｌ ｅｆ ｏ— ｅ Ｄ样 品 的 磁 致 伸 缩 系 数 ， 采用 共振 法测 量 了 Ｔ ｒ ｎ ｌ 并 ｅｆ ｏ Ｄ样 品 的磁 机 ｅ —
械 耦 合 系数 ．将 超 磁 致 伸 缩 材 料 特 性 测 量 实 验 引 入 本 科 实 验 教 学 ， 以使 学 生 在 近 代 物 理 实 验 课 程 的 学 习 中 接 触 到 材 可
种 品牌号 为 Ｔ ｒｅ ｏ－ Ｔｂ ２Ｄ 。。 ｅ ９ 的材 料 ｅｆｎ ｌ Ｄ（ 。７ ｙ． Ｆ １ ） ７ ．
好， 是很好的近代物理实验教学内容・
２ 实验 原 理
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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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)。
超磁致伸缩材料的工程应用研究现状
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国外有关超磁致伸缩材料的应用研究
稀土超磁致伸缩材料的优异特性一经发现立即受
到各国科技界、 工业界和政府部门特别是军事部门的 高度关注。 近几年来， 国外研制了近千种应用lt;>? 期
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现状・趋势・战略
二次电压信号。 压磁式压力传感器具有输出功率大、 抗 干扰能力强、 寿命长、 维护方便、 能适应恶劣工作环境 等优点， 在工业自动化领域中有着良好的应用前景。 多元稀土铁化合物存在一个补偿温度， 在此温度 下其热膨胀系数从 ! " #$ % & ’ ( 突然增大到 ##! " #$ % & ’ 弹性模量亦发生锐变， 并可通过改变磁场或材料的 (， 成分来改变补偿温度。 利用该特性可制作热膨胀检测 器件。 ) * + 在磁 ) 电 + —机械换能器中的应用 基于超磁 致伸缩材料的磁 ) 电 + —机械换能器具有大位移、 强力、 响应快、 可靠性高、 漂移量小、 驱动电压低等优点， 因而 在超精密加工、 微马达、 振动控制以及流体机械等工程 领域均显示出良好的应用前景， 是一种很有潜力的新 型智能驱动元件。 ! 在超精密加工中的应用 精度达到纳米级及以 上的超精密定位系统目前大多采用基于压电陶瓷材料 的致动元件， 其输出功率低， 且必须采取有效措施防止 冲击力和高驱动电压造成的击穿短路等问题。 超磁致 伸缩驱动元件输出位移是电致伸缩致动器的数十倍， 且可低阻抗运行。 日本茨城大学江田弘和东芝公司的 (,-./.012 合作设计了定位精度达到纳米级的超磁致 伸缩致动器 ) 见图3 + ， 并将其成功地应用于大型光学金 刚石车床的微进给装置
*
国内超磁致伸缩材料研究开发概况
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。
铽镝铁(TbDyFe)合金稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D介绍
铽镝铁(TbDyFe)合金稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D介绍铽镝铁（TbDyFe）合金稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D介绍天津华安旭阳国际贸易有限公司孙庆仑铽镝铁（TbDyFe）合金是一种新型的稀土超磁致伸缩材料，其室温下的磁致伸缩应变量（磁致伸缩系数）之大是以往任何场致伸缩材料所无法比拟的。
它比传统的镍钴（Ni-Co）等磁致伸缩合金的应变量大几十倍，是电致伸缩材料的五倍以上。
可高效地实现电能转换成机械能，传输出巨大的能量。
在10-5～10-6秒的极短时间内，精密、稳定地形成与磁场静、动态特性相匹配的无滞后型响应。
其响应稳定，速度敏捷，使铽镝铁合金作为驱动元件的机械系统反应滞后时间显著降低，这也是铽镝铁合金元件在交变磁场中快速产生伸缩应变响应的重要特性，从而使它在工业的科技开发中作为执行元件、控制元件、敏感元件得到了越来越广泛的应用稀土超磁致伸缩材料在声学领域的应用成果之一，是平板扬声器技术。
平板扬声器（Flat panel technology）具有优异的频响特性和音质，可以产生360度的声场，几乎穿越任何平面，开辟了设计各种新型扬声器的可能性。
把稀土超磁致伸缩材料元件用于微位移机构，可以快速、精确、稳定地控制复杂的位移运动。
在机器人准确的关节控制；机床部件的精密位移控制；成型加工机床的伺服刀架控制；机构传动误差和刀具磨损的补偿控制；电力分配系统中开关、继电器的强力触头控制；激光镜、望远镜、电子显微镜的精细聚焦等控制中，可显著地优化结构、改善性能、提高效率、降低损耗。
在用稀土超磁致伸缩材料驱动的线性马达、伺服阀、强力液压泵、精密输液泵（医用）、高速阀门、燃油喷射系统（汽车发动机）等装置中进行随机控制，有效地提高自动化程度，简化液压控制系统，达到高效节能，安全可靠。
利用铽镝铁合金元件的即时响应特性，可有效地控制机械系统的振动，达到消振、降噪之目的。
反之，利用稀土超磁致伸缩材料元件的可控特性，改善振动工艺过程（抛光、振动切削），提高产品质量和生产效率。
Fe_(76)-Mn_4-Ga_(15)-Al_5磁致伸缩材料的研究
伸缩 系数为 １６ｐ ｍ， 火的磁致伸缩 系数为 １８ｐ ｍ， ０ ｐ 淬 ２ ｐ 退火的磁致伸缩 系数为 １ ｐ ４ｐ ｍ．
２０ ０ ０年 ， ｌ ｋ等人 ¨ 通 过 改 进 的 布里 吉 曼 法 Ｃａ ｒ 制备 了单 晶 Ｆ 。 ａ 合 金 ， ｅ Ｇ 。 在室 温下 ＜１０＞取 向磁 ０ 致伸 缩值可 达 ４ ０ｐ ｍ． ０ ｐ 但是 单 昌不 易 制备 ， 以人 所 们研究 了多 晶的制备 ， 韩志 勇 等 口 采用 定 向凝 固的 方法 制备 了 Ｆ ∞ ａ 多 晶 ， 品经 过 淬火 处 理 后 ， ｅ Ｇ， 样 其
（ ． 蒙 古 科 技 大 学 材 料 与 冶金 学 院 ， １内 内蒙 古 包 头 ０ ４ １ ；． 头 稀 土 研 究 院 ， １０ ０ ２ 包 内蒙 古 包 头 ０４ １ ） １０ ０
关键 词 ： 致 伸缩 ；ｅＧ 合 金 磁 Ｆ—ａ
中 图分 类 号 ： Ｂ ４ Ｔ ３ 文 献 标 识码 ： Ａ ’
摘
要： 采用电弧炉熔炼方法得到 Ｆ，． Ｇ Ａ 合金样品． ｅ Ｍｎ一 ａ ｌ 利用光学金相 显微镜观察合金 的显 微组织 ， 并用 电
阻应 变法测量合金 的磁致伸缩 系数． 研究结 果表明 ， 轧制前和Ｓ Ｓ 后淬火对 Ｆ，一 ４Ｇ 。Ａ 合金磁致伸缩 系数 ｂＵ ｅ ｎｎ－ ａ 一 １
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： ａ ｎｅｏ ｔｉｔｏ Ｆ — ｌｏ ｍ ｇ ｔｓｒｃｉｎ； ｅ Ｇａ ａｌ ｙ Ａｂｓｒ ｃ Ｔｈ ７一 ｎ 一 １－ ５ａｌｙ ｗａ ｒ ｐ ｒ ｄ ｗｉｈ ａ ｈ ｇ ｖ ｃ ｕ ａ ｅｍ ｅｔｎ ｙ ｔ ｍ． ｔ ａ ｔ： ｅ Ｆｅ６ Ｍ ４ Ｇａ５ Ａ１ ｌｏ ｓｐ ｅ ａ ｅ ｔ ｉｈ— ａ ｕ ｍ ｒ ｌｉ ｇ ｓ ｓｅ Ｔｈｅｐ ｓ ｔｕ ｔ ｒ ｓｏ ｈ ｌ ｙ ｒ ｎ－ ｈａ ｅｓｒ ｃ ｕ ｅ ｆｔｅ ａｌ ｓｗｅ ｅ ａ ｏ ａｙ ｅ ｙ ｍｅａ ｌｓ ｏ ｎ ｈ ｇ ｅ ｏ ｔｉｔｏ ｏ ｆ ｃｉｎ ｓｍ ｅ ｓ ｒ ｄ． ｔ ｄ ｅ ｎ Ｆ ７一 ４ Ｇａ５ Ａ１ ａｌ ｙ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｅ ｍ ａ ｎｅｏ ｌｚ ｄ ｂ ｔｌｏ ｃ ｐｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｍａ ｎ ｔ ｓｒｃｉｎ ｃ ｅｆ ｅ ｔｗａ ａ ｕ ｅ Ｓ ｕ ｉ ｓｏ ｅ ６ Ｍｎ － １一 ５ ｌｏ ｓ ｓ ｏ ｔ ａ ｈ ｇ ｔ － ｉ ｓｒｃｉｎ ｏ ｈ ｕｅ ｈ ｄ ｓ ｍ ｐｅ ｎ ｒ ａ ｅ ｌ ｈｅ ａ ｅ ｌｄ ｓ ｔｉ ｔ ｆｔｅ ｑ ｎｃ ｅ ａ ｌｓｉ ｃ ｅ ｓ ｄ ｗｈｉ ｔ ｎｎ ａｅ ａｍｐ ｅ ｅ ｒ ａ ｅ Ｓａ ｐｅ ｒ ｕｅ ｃ ｅ ｔ１ ℃ ． ｔ ｈ ｉ ｇ ｅ ｏ ｅ ｌｓ ｄ ｃｅ ｓ ｄ． ｍ ｌｓｗｅ ｅｑ ｎ ｈ ｄ ａ ０ １ ｗｉｈ ｔ ｅｒｍａ ｎ ・ ｔｓｒｃｉ ｎ ｂ ｉ ｇ １ ｍ ． ｅ ｅ ａ ｌｙ ｒ ａ ｉ ｌ ｅ ｃｈ ｄ ｉ ｔ ｅ ｎ ｈ ａ ｎｅｏ ｔｊｔ ｎ ｉ ４ ｐｐ ． ｏ ｔｉｔｏ ｅ ｎ ２８ ｐｐ Ｔｈ ｓ ｌｏ ｓｗｅｅ ｒ ｐ ｄｙ ｑｕ ｎ ｅ ｎｏ ｗａｔｒａ ｄ ｔ ｅ ｍ ｇ ｔ ｓｒｃｉ ｓ １ ｍ ｏ
新型稀土磁致伸缩材料Tb0.27Dy0.73Fe1.95的各向异性参数研究
转变 成机 械能或 声能 （ 机械 位移 与 声信 息 ） 或 。相 反 也
可 以将机 械能 （ 电磁 信 息 ） 换 成 电磁 能 （ 电 磁信 或 转 或 息 ） 它是 重要 的 能量 与 信 息 转 换 的功 能 材 料 ， 且 其 ， 并
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２０年 ６ ３） ０６ 第 期（ 卷 ７
新 型 稀 土 磁 致 伸 缩 材 料 Ｔｂ． Ｄｙ ｅ． 的 各 向异 性 参 数 研 究 ｏ ｏ ３ １５ ２ ７ Ｆ ９
唐 海 军 武 伟 张 茂 才 ， 学绪 周 寿 增 莫 喜 平 。 ， ， 高 ， ，
性 常数 。利用超 声波 穿透 法测 量在 零磁 场 下的 各 向异
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材料 的各 向异性 微分磁 致 伸 缩应 变常 数 ｄ 。
分散 性 较大 ， 不是 很 可靠 ， 故本 文采用 超声 波 穿透 法来 测量 ， 此方 法具 有 不 破 坏材 料 ， 量 参数 全 ， 测 测量 精 度 比较 高 的优点 。对 于各 向异 性磁 导率 采用 振 动样 品磁 强计 来 测 量 ， 过 测 定样 品 的 磁 化 曲线 再 微 分 得 出。 通
应用 于 主动减振 系统 ， 位移 驱动 系 统 ， 器人 与 自动 微 机 化 ， 能机 翼 ， 动采 油 ， 油 喷射 和传 感 器 等 高 技 术 智 波 燃
领域 ， 国视之 为 ２ 美 １世纪 的战略性 功 能材 料 。
稀土超磁致伸缩材料
稀土超磁致伸缩材料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。
随后美国的 G ibson和Verhoeven等人对Tbo0．3Dy0．7Fe1．95合金晶体取向棒材（包括管材，片材等）的制造设备、技术与工艺做了大量的研究，发明了一种连续生产取向（Tb－Dy－Fe）磁致伸缩材料的方法，并申请了专利。
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。
超磁致伸缩材料发展动态与工程应用研究现状
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基础上 ， 较全面地介绍 了国内外超磁致伸缩材料在各工程领域的应 用以及发展 状况。通过分析其历史沿革和最新成果 ，
对 未 来的发 展 方向 进行 了展 望 ， 对其 应 用 潜 力领 域进 行 了预测 。 图 ２参 ２ 并 ６ 关 键 词： 材料 学 ； 磁 致 伸 缩材 料 ； 状 ； 用 ； 超 现 应 Ｙ 方 向 Ｅ展 文 献标 志 码 ： Ａ 文 章 编号 ：０５２ ９ （０ １ ０ －１６０ １０ －８５ ２ １ ） １ １－４ ０ 中 图分 类 号 ：
第２ ９卷 第 １ 期 ２ １ ２月 ０ １年
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轻 工 机 械 Ｍａ ｈｎ ｒ ｃ ｉｅｙ
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［ 综述 ・ 专论］
Ｄ Ｉ ０３６／ ｉｎ１ ５ ８５２１．１ Ｏ： ． ９ ．ｓ． ０— ９． ０ １ ９ ｊｓ ０ ２ ０１
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稀土超磁致伸缩换能器的实验研究
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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。
稀土超磁致伸缩材料
稀土超磁致伸缩材料
稀土超磁致伸缩材料是一种新型的智能材料，它具有磁致伸缩效应和磁记忆效应，可以在外加磁场的作用下发生形变，同时还能够记忆其形状，具有很好的应用前景。
稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应是指在外加磁场的作用下，材料会发生形变，这种形变可以达到很大的程度，甚至可以达到几个百分点。
这种效应可以应用于机械传动、精密仪器、医疗器械等领域，可以实现微小的位移和力的控制。
稀土超磁致伸缩材料的磁记忆效应是指在外加磁场的作用下，材料会记忆其形状，当外加磁场消失时，材料会恢复到原来的形状。
这种效应可以应用于形状记忆合金、智能材料等领域，可以实现形状的控制和变化。
稀土超磁致伸缩材料具有很好的应用前景，可以应用于机械传动、精密仪器、医疗器械等领域，可以实现微小的位移和力的控制。
同时，它还可以应用于形状记忆合金、智能材料等领域，可以实现形状的控制和变化。
未来，随着科技的不断发展，稀土超磁致伸缩材料的应用领域将会越来越广泛，为人类的生产和生活带来更多的便利和创新。
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[。
最新35稀土磁致伸缩
2.重稀土金属合金：
Tb0.6Dy0.4合金
3.稀土与过渡金属间化合物：
REFe3, RE5Fe23, RE2Fe17, TbNi0.4Fe1.6 4.锕系金属化合物
• 稀土与过渡金属，如Fe，Co等的二பைடு நூலகம்或 三元合金则具有巨大的磁致伸缩值，高 于非稀土的近百倍。
λ达到1500~2000ppm
稀土超磁致伸缩材料 RE-GMM
• 一、概述
• 定义：铁磁材料和亚铁磁材料，在外磁 场被磁化时，其长度和体积都要发生变 化，而失去外磁场后，又恢复原来长度 或体积，这种现象称为磁致伸缩。
•磁致伸缩材料主要分4大类：
1.过渡族金属与合金：
Fe 、Ni合金，Ni－Co， Ni－Co－ Cr和铁基合金Fe－Ni，Fe－Al，Fe－Co －V等。
•磁致伸缩机理
当材料的磁化状态发生改变时，其自 身的形状和体积要发生变化，以使总能量 达到最小。
磁致伸缩一般起源于下列集中作用：
（1）当材料的晶格发生畸变时，其交换 能也随之变化，晶格的排列总是选择一种 能量最低的位置。这种晶格畸变可以是各 向同性的，也可以是各向异性的。
（2）原子的磁偶极距之间的相互作用也 能引起磁致伸缩。（各向异性的）
35稀土磁致伸缩
• 所有的稀土元素与铁和硼均可形成REFeB化合物， 其中钕铁硼均可制成有实用意义的永磁材料。钕铁硼
化合物类金属硼等元素的添加对四方相钕铁硼的形成 起决定性作用。实验结果表明，不含硼的Nd-Fe合金 由a-Fe和NdFe相组成。当硼摩尔分数增加到4%时， NdFe相消失，开始出现钕铁硼相。当硼摩尔分数增 加到7%时，a-Fe相消失，合金由钕铁硼和富钕以及
• 稀土离子超磁致伸缩的来源
铽镝铁(TbDyFe)合金稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D介绍
铽镝铁（TbDyFe）合金稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D介绍天津华安旭阳国际贸易有限公司孙庆仑铽镝铁（TbDyFe）合金是一种新型的稀土超磁致伸缩材料，其室温下的磁致伸缩应变量（磁致伸缩系数）之大是以往任何场致伸缩材料所无法比拟的。
它比传统的镍钴（Ni-Co）等磁致伸缩合金的应变量大几十倍，是电致伸缩材料的五倍以上。
可高效地实现电能转换成机械能，传输出巨大的能量。
在10-5～10-6秒的极短时间内，精密、稳定地形成与磁场静、动态特性相匹配的无滞后型响应。
其响应稳定，速度敏捷，使铽镝铁合金作为驱动元件的机械系统反应滞后时间显著降低，这也是铽镝铁合金元件在交变磁场中快速产生伸缩应变响应的重要特性，从而使它在工业的科技开发中作为执行元件、控制元件、敏感元件得到了越来越广泛的应用稀土超磁致伸缩材料在声学领域的应用成果之一，是平板扬声器技术。
平板扬声器（Flat panel technology）具有优异的频响特性和音质，可以产生360度的声场，几乎穿越任何平面，开辟了设计各种新型扬声器的可能性。
把稀土超磁致伸缩材料元件用于微位移机构，可以快速、精确、稳定地控制复杂的位移运动。
在机器人准确的关节控制；机床部件的精密位移控制；成型加工机床的伺服刀架控制；机构传动误差和刀具磨损的补偿控制；电力分配系统中开关、继电器的强力触头控制；激光镜、望远镜、电子显微镜的精细聚焦等控制中，可显著地优化结构、改善性能、提高效率、降低损耗。
在用稀土超磁致伸缩材料驱动的线性马达、伺服阀、强力液压泵、精密输液泵（医用）、高速阀门、燃油喷射系统（汽车发动机）等装置中进行随机控制，有效地提高自动化程度，简化液压控制系统，达到高效节能，安全可靠。
利用铽镝铁合金元件的即时响应特性，可有效地控制机械系统的振动，达到消振、降噪之目的。
反之，利用稀土超磁致伸缩材料元件的可控特性，改善振动工艺过程（抛光、振动切削），提高产品质量和生产效率。
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稀土超磁致伸缩材料的应用
水深低频大功率换能器 过去声呐的水声发射换能器主要用压电陶瓷 材料（PZT）来制造。压电陶瓷材料声呐的水下 工作小于100km，而稀土超磁致伸缩声呐超过 104km。 稀土超磁致伸缩制作的水声换能器的频率低， 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，起到隐身作用。低频可打破 敌方舰艇的隐身技术。 稀土超磁致伸缩制作的水声换能器发射功率 大，可探测更远距离的目标体积小，重量轻，可 提高舰艇的作战能力。
4.产生伸缩的响应速度快，响应的时间（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10一6s，比人的思 维还快 5.其弹性模量随磁场而变化，通过改变材料的制备及处理工 艺还可以调整其弹性模量，为适应不同的应用场合提供了 条件可调控。 6.频率特性好，可在低频率（10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。 7.工作要求的电压低，用电池就可以驱动，这些特性都有利 于器件的轻量化和小型化，也有利于降低成本。
另一方面就是用其它元素Co、Ni、Mn、Al、B、 Ti、V、Zr、Ca部分地置换赝二元化合物Tb-DyFe 化合物中的Fe，如果能够满足赝二元化合物磁 晶各向异性补偿条件，又能提高Tb:Dy的比例， 就能提高合金的磁致伸缩系数，从而改变Tb-DyFe合金的磁致伸缩性能。北京科技大学新金属材 料国家重点实验室根据我国稀土资源的情况,本着 低成本的原则，采用低纯度稀土经过反复实验， 筛选出了具有优异综合性能的Tb-Dy-Fe系新型合 金成分，即Tb0.27-0.35 Dy0.65-0.7(Fe1-xMx)1.95为Al、 Mn、B、Ti、V 和Zr等，x=0.00~0.15。
发展前景
发展稀土超磁致伸缩材料对发展声呐技术、 水声对抗技术、海洋开发与探测技术起到了关键 的作用。 随着稀土超磁致伸缩材料应用研究的发展， 对材料的性能也会提出越来越高的要求。从应用 角度考虑，磁致伸缩系数达到500-1000ppm，以 利于缩小或简化外加磁场的电路或磁路装置，提 高灵敏度；降低较高频率时的功率损耗,这样可以 进一步扩展材料的应用频带宽度；不断改进和完 善制造设备和工艺手段，制造出更大尺寸或复杂 形状的样品。
目录
1.磁致伸缩效应 2.稀土超磁致伸缩材料的成分 3.稀土超磁致伸缩材料的性能特点 4.稀土超磁致伸缩材料的应用 5.我国发展水平 6.发展前景
磁致伸缩效应
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的现象。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。 磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）λ 来描述，λ=（l—lo）/lo， lo为原来的长度，l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。
我国研制的稀土超磁致伸缩材料性能与 国外同类产品性能的比较
我国发展水平
从该表可以看出，北科大生产的定向凝固 Tb-Dy-Fe合金样品的饱和磁致伸缩系数d33、磁 弹祸合系数K33以及强制磁致伸缩系数λ都已达 到甚至部分超过国际先进水平,低场下的磁致伸 缩系数也接近了国际水平。多位置和大批量性 能测试结果都表明,样品性能具有很好的重复性 和一致性，材料的矫顽力小，磁滞回线窄，损 耗低,材料的压缩强度达700MPa，脆性不显著。 因此说我国制造的稀土超磁致伸缩材料的 主要指标已达到或接近国际同类产品的性能指 标。
稀土超磁致伸缩Байду номын сангаас料的成分
关于稀土超磁致伸缩材料成分的研究包括 两个方面的内容： 一方面是研究用不同的稀土元素和铁的化 合物组合获得不同性能的磁致伸缩材料， 如:Sm0.85Dy0.15Fe2、Tb0.15Ho0.85Fe2、 Tb0.20Dy0.22Ho0.58Fe2等，特别是Sm-Dy-Fe 化合物具有负的磁致伸缩系数，可以用于 一些特殊场合，与Tb-Dy-Fe合金相配合可 以制造杠杆放大机构等。
表l列出了稀土超磁致伸缩材料、传统磁致伸缩材料 及压电陶瓷材料的几个主要特性
稀土超磁致伸缩材料的性能特点
比较来看，稀土超磁致伸缩材料具有以下优点： 1.其磁致伸缩应变量λ比纯 N i大50倍，比压电陶 瓷（PZT）材料大5~25倍，比纯 N i和 Ni－Co合 金高400~800倍，如此大的应变量，可以实现很 高的输出功率。 2.材料的能量密度(J/ m)高，比镍大400~500倍， 比压电陶瓷大14 ~ 30 倍。 3.能量转换效率（用机电耦合系数 K33表示）高达 49~56%，而 Ni基合金仅有9%，PZT材料仅有 23~52%。