先进材料基础-磁致伸缩效应
材料磁性与磁致伸缩效应的研究
材料磁性与磁致伸缩效应的研究材料的磁性一直是材料科学研究的一个重要方向。
磁性材料的磁致伸缩效应是指在磁场作用下，材料会发生形变，这种形变与磁场的强度和方向密切相关。
磁致伸缩效应的研究不仅有助于深入理解材料的磁性行为，还可以为磁致伸缩材料在传感器、驱动器和可调节材料等领域的应用提供理论依据。
要研究材料的磁性和磁致伸缩效应，首先需要寻找具有磁性的材料。
传统上，铁、镍和钴等过渡金属是常见的磁性材料。
近年来，随着磁性材料的不断发展，科学家们发现了更多磁性材料，如铁氧体、钕铁硼等。
这些磁性材料具有不同的磁矩排列方式和磁化行为，因此可以用于研究不同类型的磁致伸缩效应。
磁致伸缩效应的研究需要利用实验手段来测量和观察材料在磁场中的变化。
一种常用的实验方法是通过霍尔效应来测量材料的磁致伸缩效应。
霍尔效应是材料在磁场中电阻发生变化的现象，通过测量这种电阻的变化可以推断材料的磁致伸缩效应。
除了实验手段，理论模拟也是研究磁致伸缩效应的重要方法之一。
通过建立材料的电子结构模型和磁场相互作用模型，可以通过计算来推导材料在磁场中的形变行为。
这种理论模拟有助于深入理解材料的磁致伸缩效应的本质，以及磁场对材料的控制作用。
在材料科学领域，这种理论模拟可以为磁致伸缩材料的设计和应用提供重要的指导。
磁致伸缩效应不仅在基础研究中具有重要意义，还被广泛应用于实际生活中。
磁致伸缩材料在传感器领域有着重要的应用。
例如，磁性材料的磁致伸缩效应可以用于制作压力传感器，通过测量材料在磁场中的形变来间接测量压力的变化。
此外，磁致伸缩材料还可以用于制作驱动器和可调节材料。
通过控制材料在磁场中的形变，可以实现对材料性能的调节和控制。
在磁致伸缩材料的应用中，研究材料的磁性和磁致伸缩效应的机制至关重要。
通过深入了解磁性材料的磁矩排列和磁化过程，可以更好地设计和优化磁致伸缩材料的性能。
同时，研究磁致伸缩材料在不同应变和温度条件下的性能变化也是非常重要的，这有助于提高磁致伸缩材料的稳定性和可靠性。
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。
磁致伸缩原理
磁致伸缩原理
磁致伸缩原理是指在磁场的作用下，某些磁性材料会发生形变的现象。
具体而言，当磁性材料置于磁场中时，其内部磁矩会重新排列，导致材料发生形变。
这种形变往往表现为材料的缩短或延伸，即磁致伸缩效应。
磁致伸缩原理是通过磁场对磁性材料内部磁矩的作用来实现的。
在常磁性材料中，原子的磁矩通常是无规则排列的，且各个磁矩之间相互抵消。
然而，当这些材料置于外部磁场中时，部分磁矩会受到磁场影响而发生重新排列。
这种排列过程会导致材料发生微小的形变。
具体来说，当磁性材料置于磁场中时，磁矩会受到磁力的作用而发生旋转。
当磁场方向与材料的磁矩方向一致时，磁矩会被吸引，这时材料会发生收缩现象；当磁场方向与材料的磁矩方向相反时，磁矩会被排斥，这时材料会发生伸长现象。
这种通过磁场调控形变的能力使得磁致伸缩原理可以应用于各种领域。
磁致伸缩原理在实际应用中有着广泛的用途。
例如，在声音装置中，可以利用磁致伸缩原理来制造扬声器，通过改变磁场的大小和方向，控制扬声器的振动膜的形变从而产生声音。
在精密机械领域，磁致伸缩原理也可以用于制造微调器、微运动器件等，实现微小尺度的位移调节。
此外，磁致伸缩原理还可以用于传感器、执行器等领域，为实现精密度控制和高灵敏度提供了一种有效的方法。
总之，磁致伸缩原理是通过磁场对磁性材料内部磁矩的作用来
实现形变的原理。
它在不同领域有着广泛的应用，为实现精密控制和高灵敏度提供了一种有效的方法。
新型材料磁致伸缩效应的机械应用研究
新型材料磁致伸缩效应的机械应用研究磁致伸缩效应是指材料在磁场的作用下发生形变的现象，这一现象在新型材料中具有广泛的应用前景。
本文将探讨磁致伸缩效应在机械应用领域的研究进展，并分析其潜在的应用前景。
首先，我们来了解一下磁致伸缩效应的基本原理。
磁致伸缩效应是由于材料中的磁电耦合效应而产生的。
当外加磁场作用在材料上时，磁场将改变材料内部的磁化程度，从而引起材料的形变。
一般来说，材料在磁场方向上会发生伸长，而在垂直于磁场方向上会发生压缩。
这种磁致伸缩效应可以被应用于制造各种机械装置和器件。
接下来，我们将重点关注磁致伸缩效应在机械应用领域的研究进展。
近年来，许多研究机构和企业对磁致伸缩效应进行了深入的研究，并取得了一系列令人瞩目的成果。
例如，在机械领域，磁致伸缩效应可以用于制造微型机械致动器。
这些致动器可以通过外加磁场来控制其长度，从而实现微小机械装置的控制和调节。
此外，磁致伸缩效应还可用于制造精密测量仪器和机械元器件。
磁致伸缩材料在磁场作用下的形变可以实现微米级的位移控制，从而可用于制造高精度的位移传感器和驱动装置。
这些装置在航空航天、光电子、精密加工等领域中具有广泛的应用前景。
在机械应用领域中，磁致伸缩效应还可以应用于制造智能材料和智能结构。
智能结构是指具有感知、反应和自适应能力的结构，它能够根据外界环境条件的变化自动调整其性能。
磁致伸缩材料可以作为智能结构的重要组成部分，利用其磁致伸缩效应来实现结构的形状控制和性能调节。
这一领域的研究目前仍处于初级阶段，但已经显示出巨大的潜力。
尽管磁致伸缩效应在机械应用领域的研究取得了一系列重要的成果，但仍然存在一些挑战和问题需要解决。
首先，磁致伸缩材料的制备和加工需要较高的成本和技术要求。
其次，磁致伸缩效应的稳定性和可靠性需要进一步改善，以满足实际应用的需求。
此外，磁致伸缩材料的长期使用性能和耐久性也需要进行更加深入的研究。
综上所述，磁致伸缩效应在机械应用领域具有广泛的应用前景。
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。
磁致伸缩原理范文
磁致伸缩原理范文磁致伸缩效应（magnetostriction effect）是指在外加磁场作用下，磁性材料产生形变的现象。
这种形变是由于磁矩在磁场中的方向改变而引起的，导致晶体格点的略微位移。
磁致伸缩效应广泛应用于传感器、声学换能器、磁性材料等领域。
本文将详细介绍磁致伸缩原理的机制、应用和研究进展。
1.原理机制：磁致伸缩效应的机制可以通过磁力和电力的相互作用来解释。
磁性材料中存在着许多微观磁偶极子，当外加磁场施加到材料上时，磁偶极子会受到磁力矩的作用而发生位移。
这种位移引起了晶体格点之间的应变，从而导致磁致伸缩效应产生。
具体而言，磁矩的改变首先会引起材料的磁畴群体磁矩的重组。
磁畴的重组进一步引起晶格略微的位移和变形，从而通过材料的弹性恢复力来产生宏观的形变。
这种形变可以是线性的（磁致伸长）或非线性的（磁致收缩），具体取决于材料的特性和外加磁场的强度。
2.应用领域：磁致伸缩效应的应用范围非常广泛。
以下是一些典型的应用领域：2.1传感器：磁致伸缩效应可以用于制造磁敏感传感器。
这些传感器能够测量外加磁场的强度、方向和变化率。
在传感器中，磁性材料通过磁致伸缩效应产生的形变被传感器探头检测到，并转化为电信号输出。
2.2声学换能器：磁致伸缩效应被广泛应用于声学换能器的制造。
声学换能器可以将电能和声能相互转换。
当外加电场施加到磁性材料上时，材料会发生形变，产生声波。
反过来，当声波施加到磁性材料上时，也会产生相应的电信号。
这种相互转换的原理被应用于声波传感器、扬声器等领域。
2.3磁性材料：磁致伸缩效应在磁性材料的制备和性能调控中具有重要意义。
通过调节外加磁场的强度和方向，可以实现磁性材料的形变和变形。
磁性材料的形变性能一直是研究的热点，其应用涉及到电动机、变压器、磁记录材料等。
3.研究进展：近年来3.1磁致伸缩材料的开发：研究人员正在不断寻找新的材料用于磁致伸缩效应的应用。
例如，高磁致伸缩性能的铁氢化合物合金被发现可以用于高灵敏度传感器的制造。
磁致伸缩材料及应用要点
超精密机床微进给机构
• 位移精确度高((可达纳米级))、响应速度快、输 入功率小、设计相对简单，适用于精密和超精密 加工。
薄膜型磁致伸缩驱动器
• 当在超磁致伸缩薄膜的 长度方向外加磁场时， 产生正磁致伸缩的 TbFe 薄膜伸长，而产生 负磁致伸缩的 Sm-Fe 薄膜缩短，横梁便向下 弯曲；而当在其横向加 磁场时，产生正磁致伸 缩的 Tb-Fe 薄膜缩短 ，而产生负磁致伸缩的 Sm-Fe 薄膜伸长，横梁 则向上弯曲。
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。
磁致伸缩阀门燃料喷射系统
• 瑞典设计的对燃料喷射阀 门进行控制的装置。它由 一根具有负磁致伸缩系数 的棒去打开阀针。驱动线 圈中的电流为零时，阀针 将燃料流关闭；驱动线圈 中通有电流时，阀针打开 允许燃料流通过。可实现 对燃料的精密、瞬时控制 ，使燃料充分燃烧，减少 污染。可应用于汽车和飞 机等内燃机。
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
构成 成分：各种氧化物陶瓷。 典型的有： SnO2、ZnO、 -Fe2O3、ZrO2、 α-Fe2O3、 TiO2等 几何形状： 薄膜型、厚膜型、多孔型
常用热电偶材料
标准热电偶材料对标准铂的热电动势
第五节
光功能材料
光功能材料按用途分为 光介质材料 固体激光材料 固体发光材料 非线性光学材料 金铁电光晶体材料
光导纤维
光学薄膜 弹光与声光材料等
一、固体激光材料
（一）激光的产生
E2 h E1 E2 h E1 吸收 引发受激辐射
A电子从E2返回E1， 并释放出一个光 子hv=E2-E1
（三）形状记忆陶瓷
20世纪60年底人们确认陶瓷材料也存在马氏体相变， 一个著名的例子就是ZrO2 陶瓷中的马氏体相变，这一 相变现象可以使陶瓷材料具有形状记忆效应。
随温度的变化纯ZrO2 有三种晶型：单斜晶系、四方晶 系、立方晶系。单斜向四方转变有5％的体积变化，而 且应力也可诱发单斜向四方的转变
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。
要点总结
电功能材料： 半导体材料 超导材料 磁功能材料 软磁材料 硬磁材料 磁致伸缩材料
《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
05磁致伸缩智能材料
05磁致伸缩智能材料磁致伸缩智能材料是一种通过外部磁场控制材料形状和尺寸的智能材料。
它具有在外部磁场的作用下发生显著形状和尺寸变化的特性。
这种智能材料在许多领域中具有广泛的应用，如医疗器械、机器人、航空航天和纳米技术等。
磁致伸缩材料的原理是基于磁致伸缩效应。
当外部磁场施加在材料上时，材料内部的磁性微颗粒会受到磁场力的作用而移动，从而引起整个材料发生形状和尺寸的变化。
这种变化可以是线性的、面积的或体积的。
例如，当外部磁场施加在磁致伸缩智能材料上时，材料可以向一个方向延伸，或者压缩成一个厚度更小的形状，甚至可以形成复杂的结构和模式。
磁致伸缩智能材料的制备方法有很多种，如氧化还原法、溶胶-凝胶法、电化学法等。
其中，铁磁合金是目前应用最为广泛的磁致伸缩材料之一、通过调整合金的成分和磁性微颗粒的形态等参数，可以获得具有不同形状和尺寸变化的磁致伸缩智能材料。
磁致伸缩智能材料在医疗器械领域中具有重要的应用价值。
例如，智能支架是一种利用磁致伸缩智能材料制成的支架，可以通过外部磁场控制支架的形状和尺寸，用于血管置入术中的血管扩张和修复。
智能支架可以更好地适应患者的血管形状和尺寸变化，提高手术的成功率和患者的治疗效果。
此外，磁致伸缩智能材料在机器人领域中也具有广泛的应用前景。
例如，通过使用磁致伸缩材料制成的“柔软机器人”可以在外部磁场的作用下完成复杂的动作和形变。
这种机器人具有良好的柔软性、可塑性和适应性，能够适应复杂的环境和任务需求。
因此，磁致伸缩智能材料可以在机器人领域中被用于制造高效的感知、移动和操作系统。
磁致伸缩智能材料在航空航天领域中也有很多潜在应用。
例如，通过利用磁致伸缩智能材料制成的变形翼可以根据飞行状态和需求调整翼展和扭转角度，提高飞机的机动性和控制性能。
此外，磁致伸缩智能材料还可以用于制作智能阻尼系统、智能材料降噪系统等，提高飞机的安全性和舒适性。
最后，磁致伸缩智能材料在纳米技术领域中也有重要的应用潜力。
磁性材料-第六章 磁致伸缩材料
6.1 磁致伸缩材料概述 *定义：磁性材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要
发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩。 =L/L为磁致伸缩系数。
*发展史：
*大部分材料的只有10-6数量级，一直难以实用化。 *1940年，Ni和Co的多晶材料出现后，磁致伸缩材料才得 到实出化。Ni：=40×10-6 *1950年，发现了Alfer Fe-13％A1合金，它的磁致伸缩值达 到1×10-4
*在Laves相中，不同晶体学方向原子的排列不同，<111>方 向为原子最密排方向。若施加磁场，电子云的空间分布发 生变化，从而原子间的作用力发生变化。构成四面体的原 子间的引力增强，从而原子间的距离略有缩短。另一方面， 联系四面体和四面体的引力减弱，从而造成较大的伸长。 与收缩量相比伸长量要大得多，从而产生超磁致伸缩。
*20世纪60年代，Clark等致力于稀土类磁致伸缩材料的研 究 。 发现具有 立 方 Laves相结构的TbFe2，DyFe2等二元稀 土铁化合物，其室温下的值达2600×10-6 以上。该类材料 的值比传统材料要大上百倍，因此称为超磁致伸缩材料。 *1974年，Clark等人成功地发现了三元稀土过渡族金属 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。 *从实用角度来看，磁致伸缩材料应具备以下特性： (1)变位量及产生的应力要大；(2)响应速度快；(3)软磁性； (4)可在低磁场下驱动；(5)居里温度高； (6)在使用气氛中磁致伸缩特性对温度的变化不敏感； (7)高可靠性；(8)环保性优良，兼备市场竞争力。
将组成元素稀土金属和铁用电弧炉或感应炉熔炼成合金 ，于
1000℃均匀化处理。破碎并球磨成几十微米的颗粒，经丙酮清 洗并真空干燥后，将粉末装入橡皮管中，等静压成型，压制出 的样品用钽箔包好，放入真空炉中于一定温度下烧结成产品。
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。
【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。
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。
14
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
30
6 超磁致伸缩合金的制备
一、合金棒材、定向晶33
34
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)
36
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
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。
磁致伸缩材料的应用
磁致伸缩材料的应用磁致伸缩材料的基本原理是通过磁感应强度的变化来调节材料的微观结构，从而实现长度的变化。
这种原理基于磁致应变效应，即材料在磁场的作用下产生的形变。
磁致伸缩材料一般由两个相互穿插的部分组成，一部分是磁致伸缩激发器，具有良好的磁致应变效应；另一部分是力传递机构，用来将磁力转化为线性位移。
磁致伸缩材料在机械领域有很多重要的应用。
例如，在精密仪器和机械装置中，常常需要调节长度以满足特定的要求。
磁致伸缩材料可以应用在这些装置中，通过控制磁场的强度来调节装置的长度。
另外，在医疗器械中也有广泛的应用，例如用于血管支架的放松和收缩。
在电力领域，磁致伸缩材料也扮演着重要的角色。
由于磁致伸缩材料的优良性能，可以用于电力输送线路的调节。
根据实际需求，磁致伸缩材料可以通过调节磁场的强度来实现输送线路的缩短或拉长，从而提高电力系统的效率和可靠性。
在航空航天领域，磁致伸缩材料的应用也非常广泛。
例如，在航天器的姿态控制系统中，可以使用磁致伸缩材料来实现航天器的动态姿态控制。
该材料可以根据磁场的变化调节长度，从而改变航天器的姿态。
此外，磁致伸缩材料还可用于行星探测器的伸缩臂、太阳帆等部件的控制。
在智能材料领域，磁致伸缩材料也具有广泛的应用。
例如，在结构控制和振动减缓中，可以利用磁致伸缩材料来调节结构的刚度和阻尼。
另外，磁致伸缩材料还可以用于可穿戴设备、智能家居等领域，通过调节磁场的强度实现可穿戴设备的长度变化或家居设备的伸缩。
总结起来，磁致伸缩材料具有广泛的应用前景。
在机械、电力、航空航天和智能材料等领域都有重要的应用。
随着科学技术的不断进步，磁致伸缩材料的性能和应用领域还将不断扩展，为人们的生活和工作带来更多的便利和可能性。
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。
超磁致伸缩材料
超磁致伸缩材料
超磁致伸缩材料是一种具有磁致伸缩效应的材料，它能够在外加磁场的作用下
发生形变，并且在去除外加磁场后能够恢复到原来的形状。
这种材料在磁致伸缩技术、磁致冷却技术、磁致发电技术等方面具有广泛的应用前景，因此备受研究者和工程师的关注。
超磁致伸缩材料的基本原理是通过外加磁场来改变材料的磁性，从而引起形变。
一般来说，超磁致伸缩材料是由铁磁性材料和非铁磁性材料组成的复合材料。
在外加磁场作用下，铁磁性材料会发生磁畴重排，从而引起材料的形变，而非铁磁性材料则起到支撑和约束的作用，使得形变能够得到有效控制。
当去除外加磁场后，铁磁性材料会恢复到原来的状态，从而使整个材料恢复到原来的形状。
超磁致伸缩材料具有许多优异的性能，例如具有较大的磁致伸缩应变、较高的
磁致伸缩灵敏度、较好的循环稳定性等。
这些性能使得超磁致伸缩材料在微型驱动器、微型传感器、人工肌肉、智能材料等领域有着广泛的应用前景。
在超磁致伸缩材料的研究和应用过程中，一些关键问题亟待解决。
首先，如何
提高材料的磁致伸缩应变和磁致伸缩灵敏度是一个重要的研究方向。
其次，如何提高材料的循环稳定性和耐久性也是一个亟待解决的问题。
此外，如何降低材料的制备成本和提高材料的工程化应用水平也是当前研究的热点之一。
总的来说，超磁致伸缩材料是一种具有巨大应用潜力的智能材料，它在微型驱
动器、微型传感器、人工肌肉、智能材料等领域有着广泛的应用前景。
随着材料科学和磁性材料领域的不断发展，相信超磁致伸缩材料将会迎来更加广阔的发展空间，为人类社会的进步和发展做出更大的贡献。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
《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
磁致伸缩效应是指材料在外加磁场条件下的变形。
磁致伸缩效应于19世纪（1842年）被英国物理学家詹姆斯.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。
磁致伸缩效应的原理
小磁畴的旋转被认为是磁致伸缩效
应改变长度的原因。
磁畴旋转以及重新定
位导致了材料结构的内部应变。
结构内的
应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于
正向磁致伸缩效应）。
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。
增强磁场可以使越来越多
的磁畴在磁场方向更为强烈和准确的重
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变化的理想化。
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。
由材料如何形成所决定
的内容或许是其通常的定位形式的一小部
分，显出其永久性的偏磁性。
其导致的应
变与磁致伸缩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非线性，这是由于大部分磁畴已经按照磁场的方向排列整齐。
在点
3，出现饱和现象，阻止了应变的进一步增加。
磁致伸缩效应分为线磁致伸缩和体积磁致伸缩，磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大得多，所以人们研究应用的主要对象是线磁致伸缩，而体积磁致伸缩由于变化量很小，在测量和研究中很少
105-～106-。
考虑，线磁致伸缩的变化量级为
磁致伸缩材料的分类
磁致伸缩材料已发现并制造了许多种，可分为金属与合金、铁氧体以及新开发的新型磁致伸缩材料：
[1]金属与合金材料
金属与合金材料的特点是机械强度高，性能比较稳定，适合制作大功率的发射换能器，缺点是换能效率不高，如纯镍的电声转换效率约为30%，这意味着要输出10千瓦的声功率时，电振荡器输出功率就需要30千瓦左右，这势必使超声频电振荡发生器要做得很庞大。
此外，金属材料的涡流损耗也较大。
典型材料有：
镍：这是最早使用的磁致伸缩材料，其特点是在磁场强度或磁感应强度增大时，它的长度变小。
镍的电阻率较低，涡流损耗较大（在制作时可以通过把它压延成薄片后以层间绝缘的方式迭制来减少涡流损耗）。
此外，其价格昂贵，故目前已多采用其合金，如镍铁-45%Ni最为常用，还有镍钴铬合金等。
铁铝合金：这种材料的价格比较低廉而受到广泛应用。
其机械性能较脆是它的弱点，但仍可压延成片使用，此外，其耐蚀性也尚不致有太多影响，其性能接近低镍含量的铁镍合金。
铁钴钒合金：这种材料的磁致伸缩效应比镍还强，居里温度也比镍高得多，而且还具有恒磁性，但是它的性能与热处理关系极大（化学成分和热处理都是合金特定状态-磁畴形成的重要条件）。
此外还有铁钴合金（由等份量的铁和钴组成，具有很高的饱和磁导率。
[2]铁氧体
铁氧体，是一种具有高电阻率的铁氧非金属磁性材料，通常是以四氧化三铁（Fe3O4）为基体再加入其他成分烧结而成，因而便于直接烧结成所需的几何
形状。
铁氧体材料的优点是电声效率高，由于电阻率高而使得涡流损耗和磁滞损失也较小，而且磁致伸缩效应显着，适合用作接收换能器，此外，其价格低廉也是重要的优点之一。
典型的铁氧体材料有镍铁氧体、镍钴铁氧体、镍铜钴铁氧体等。
[3]新型磁致伸缩材料
铁系非晶态强磁体：非晶态金属是一种原子排列杂乱无序（类似液体），结构稠密的固体金属，这是特异状态的物质，是由熔融金属高速冷却制成的。
它具有较强的韧性和较大的变形能力，耐蚀性也很强。
由于非晶态金属的原子排列无秩序，在原理上不会存在结晶体的磁性能各向异性。
含有多量铁的非晶态强磁性体具有很大的磁致伸缩效应和高磁导率等，是优良的电声换能材料。
四氧化三铁系统材料：这是在四氧化三铁中添加了少量的氧化钴、氧化硅和氧化钛，从而可以消除四氧化三铁磁性能上的各向异性，控制它的低电阻抗值，获得较高的磁致伸缩性能，可用到高压力和变温度的苛刻工作环境中去。
磁致伸缩材料的制备
磁致伸缩材料的制备方法主要是定向凝固法和粉末冶金法。
定向凝固法
定向凝固法的目的是在一次相变成型过程中控制合金样品的宏观晶体取向和凝固组织结构以提高其磁致伸缩性能。
在理想情况下,希望样品的轴向为< 111 > 晶向,但实际上合金自身的特性及凝固方法的特点决定了获得理想凝固组织是非常困难的。
定向凝固法又包括丘克拉斯基法、布里奇曼法和区熔法(或浮区法) 。
丘克拉斯基法,是将一小籽晶在旋转的同时从母合金熔液中以一定速度向上提拉,以这个小籽晶为基底,发生晶粒长大,长大方式为平面长大方式,长大以后的晶体取向与该籽晶晶体的取向一致,因此通过控制籽晶的晶体取向可以获得
<111> 取向的合金样品。
布里奇曼法是将母合金置于Al2O3 坩埚内整体加热熔化,然后向下抽拉熔化合金逐渐移出加热区,并发生顺序凝固以形成定向凝固组织。
采用籽晶技术将可以获得<111> 取向的合金样品。
区熔法(或浮区法) 是将合金棒置于一单匝感应线圈中,当感应线圈从合金棒
的一端移向另一端时,整个合金棒顺序经历了一次熔化凝固过程,从而形成定向凝固组织。
粉末冶金法
粉末冶金法包括烧结法和粘结法。
烧结法制备稀土磁致伸缩材料的主要工艺过程是,将一定成分合金在氩气的保护下破碎,在酒精介质中球磨,真空干燥后在模具中压制成型,然后在氩气保护
下烧结。
成型时应用磁场取向和磁场热处理可提高合金的磁致伸缩性能。
粘结法是指将经过冶炼、研磨的合金粉末与树脂、塑料或低熔点合金等粘结剂均匀混合,然后压制、挤出或注射成型制成一定形状的复合材料的过程。
应用
磁致伸缩材料可以制成功率电-声换能器、电-机换能器、驱动器、传感器和电子器件等, 广泛应用于海洋、地质、航空航天、运输、加工制造、医学、计算机、机器人、仪器、电子及民品等技术领域。
磁(电)- 声转换技术中的应用
磁致伸缩材料具有应变大、功率密度大、低频(<2 kHz) 响应好、频带宽等特点, 是制作大功率、小体积、低频、宽频带水声换能器的理想的材料。
因而磁致伸缩材料的最早应用是作为水声换能器的核心材料。
磁(电)- 机转换器件中的应用
磁致伸缩精密致动器是改善自动控制技术、提高产品精度及反应速度的新一代致动器, 具有输出力大、漂移小、移动范围大等特点。
它不仅能克服传统电致伸缩致动器的缺点, 而且其电机转换效率具有其它材料无法比拟的优势,用精密致动器,位移精确度可达纳米级, 响应速度快, 输出力大, 设计相对简单。
磁致伸缩液位仪
由三部分组成：探测杆，电路单元和浮子组成。
测量时，电路单元产生电流脉冲，该脉冲沿着磁致伸缩线向下传输，并产生一个环形的磁场。
在探测杆外配有浮子，浮子沿探测杆随液位的变化而上下移动。
由于浮子内装有一组永磁铁，所以浮子同时产生一个磁场。
当电流磁场与浮子磁场相遇时，产生一个“扭曲”脉冲，或称“返回”脉冲。
将“返回”脉冲与电流脉冲的时间差转换成脉冲信号，从而计算出浮子的实际位置，测得液位。
燃料注入阀
由一根具有负磁致伸缩系数的棒去打开阀针。
驱动线圈中的电流为零时，阀针将燃料流关闭；驱动线圈中通有电流时，阀针打开允许燃料流通过。
可实现对燃料的精密、瞬时控制，使燃料充分燃烧，减少污染。
应用：汽车和飞机等内燃机。
检测领域中的应用
利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩正效应或逆效应可以制作检测磁场、应变、位移、扭矩、压力和电流等的传感器敏感元件。
结语
磁致伸缩材料作为三大智能材料之一,由于其优异的性能特点,正受到相关学者的广泛关注,其应用范围涉及到传感器、流体机械、磁电-声换能器、微型马达、超精密加工领域等,充分显示出了磁致伸缩材料的巨大潜力。
从目前发展的趋势可以看出,形态上的薄膜化、微型化将成为具有潜力的发展方向,而执行与传感功能融合形成的具有自感知功能的执行器将成为磁致伸缩材料器件研究的前沿。
在未来对磁致伸缩材料的研究过程中,亦有必要不断进行成分调整和掺杂研究,不断提高其响应速度、饱和磁致伸缩系数、可控性、刺激转换效率等,使磁致伸缩材料应用到地震工程、生物医学工程、环境工程等新领域中。