磁性材料-第六章讲义教材
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2020/8/14
2020/8/14
*在Laves相化合物中，沿晶体<111>方向的磁致伸缩量最大， 对于实际应用来说，<111>方向效果最好。
2020/8/14
6.4 超磁致伸缩合金的制备 一、合金棒材、定向晶及单晶的制备
1、棒材制备的主要方法
（1）压力差法 将配制熔炼好的母合金放于坩锅内，置于可抽真空和加压 的容器里。容器上部通过密封环插入可移动的带石英管的 杆。抽真空，熔化合金并保温一定时间。将石英管插入熔 体中，充氩加压将熔体压入石英管中，冷却后即成棒材。
2020/8/14
6.2 超磁致伸缩材料 一、 超磁致伸缩材料种类
（1）稀土金属 稀土金属、特别是重稀土金属在低温下具有很大的磁致伸 缩。但稀土金属的居里温度较低，在室温下不能直接应用。
2020/8/14
（3）非晶薄膜合金 采用溅射方法制备稀土-过渡金属非晶薄膜，非晶薄膜具有 良好的软磁性能，其在低磁场下的磁致伸缩显著提高。
*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。
（4）稀土氧化物 一些稀土氧化物在低温下具有很大的磁致伸缩。
如 Tb3Fe5O12 在 4.2K 时 ， 磁 致 伸 缩 (111) 为 2460×10-6 ， 在
78K时，为560×10-6。
（5）锕系金属化合物 锕系元素与铁及其他元素形成的化合物在低温下也具有较 大的磁致伸缩，有的甚至超过了稀土化合物。但它们的居 里温度只有100K左右，难以在工程中实际应用。
（2）合金熔体顺序凝固法 坩锅底部有一浇注孔。氧化铝热电偶保护管从上方插入注 孔作为注塞棒。坩锅孔下部安装铸模，铸模底部安装水冷 铜盘。加热熔化坩锅中的合金并保温一定时间，然后提起 注塞棒，使合金充满铸模并自下而上定向凝固，可制备具 有晶202粒0/8/1取4 向的合金棒材。
2、定向晶及单晶制备的主要方法 （1）Bridgman法 将预先熔炼的母合金放于坩锅中，用电阻丝或高频感应加 热熔化合金，然后以一定的速度使坩锅下降或使热源上移 (以形成定向温度梯度)，进行单向凝固以得到定向晶或单 晶。晶体取向为<112>方向。
*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。
（2）区熔法 分为垂直悬浮区熔法和水平区熔法。先将合金熔炼成棒材， 然后用感应加热进行区域熔化，以得到定向晶或单晶。晶 体取向为<112>方向。
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（3）提拉法 将预先制备的合金置于坩锅中，用电阻丝、高频感应或电 弧加热熔化合金，用籽晶以一定速度向上提拉，熔体逐渐 固化而生长出定向晶或单晶。提拉的晶体具有<112>取向。
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*研究表明：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。
2、磁致伸缩与合金组成的关系 对 于 Tb0.27Dy0.73Fe2-y 合 金 ， 在 y=0.15 和 y=0.025 处 各 出 现 一 个磁致伸缩峰值，对于TbxDy1-xFe2合金，当x=0.7时，磁致 伸缩也出现一个峰值。对四元系合金，第四组元Mn对合金 磁致伸缩性能也有影响，在Mn含量约为0.125时出现峰值。
3、磁致伸缩与温度的关系 稀土-铁化合物随着温度的改变，会产生自旋再取向，易磁 化轴方向也会发生变化。
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4、磁致伸缩与预应力的关系 稀土-铁合金外加预应力时，磁性体会发生变形，磁化和磁 各向异性发生变化，可获得更理想的磁畴排列，从而提高 磁致伸缩特性。在磁场作用下，会产生磁致伸缩的跃变效 应。机理：无外场时，磁畴在外压力作用下沿<111>优先排 列，有外场时，磁畴发生大部分的突然转向，产生强制的 磁致伸缩跃变。
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二、Tb-Dy-Fe超磁致伸缩材料
1、Tb-Dy-Fe系合金的磁致伸缩特性 稀土-过渡金属系是最具应用前景的化合物系。其中， REFe2系立方Laves相化合物不仅磁致伸缩应变大，而且居 里温度也较高，是最主要的合金系。 缺点：磁晶各向异性能很高，使用时需要强磁场。 方案：利用各向异性常数符号相反的不同ReFe2合金相混合， 可获得较低磁晶各向异性能的磁致伸缩材料。
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
6.3 超磁致伸缩的产生机理
*目前普遍认为，超磁致伸缩现象是由于晶体在特定方向的 电子分布受磁场的影响更大所致。
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*在同一晶胞中，稀土原子的自旋磁矩与相邻稀土原子平行 而与相邻铁原子反平行。铁亚晶格的各向异性比稀土亚晶 格小得多，稀土-铁化合物室温下的超磁致伸缩和磁各向异 性都来源于稀土原子。稀土原子拥有较大的原子磁矩和巨 大的磁各向异性，这正是产生超磁致伸缩的内禀条件。
*1950年，发现了Alfer Fe-13％A1合金，它的磁致伸缩值达 到1×10-4
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*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。
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*在Laves相化合物中，沿晶体<111>方向的磁致伸缩量最大， 对于实际应用来说，<111>方向效果最好。
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6.4 超磁致伸缩合金的制备 一、合金棒材、定向晶及单晶的制备
1、棒材制备的主要方法
（1）压力差法 将配制熔炼好的母合金放于坩锅内，置于可抽真空和加压 的容器里。容器上部通过密封环插入可移动的带石英管的 杆。抽真空，熔化合金并保温一定时间。将石英管插入熔 体中，充氩加压将熔体压入石英管中，冷却后即成棒材。
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6.2 超磁致伸缩材料 一、 超磁致伸缩材料种类
（1）稀土金属 稀土金属、特别是重稀土金属在低温下具有很大的磁致伸 缩。但稀土金属的居里温度较低，在室温下不能直接应用。
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（3）非晶薄膜合金 采用溅射方法制备稀土-过渡金属非晶薄膜，非晶薄膜具有 良好的软磁性能，其在低磁场下的磁致伸缩显著提高。
*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。
（4）稀土氧化物 一些稀土氧化物在低温下具有很大的磁致伸缩。
如 Tb3Fe5O12 在 4.2K 时 ， 磁 致 伸 缩 (111) 为 2460×10-6 ， 在
78K时，为560×10-6。
（5）锕系金属化合物 锕系元素与铁及其他元素形成的化合物在低温下也具有较 大的磁致伸缩，有的甚至超过了稀土化合物。但它们的居 里温度只有100K左右，难以在工程中实际应用。
（2）合金熔体顺序凝固法 坩锅底部有一浇注孔。氧化铝热电偶保护管从上方插入注 孔作为注塞棒。坩锅孔下部安装铸模，铸模底部安装水冷 铜盘。加热熔化坩锅中的合金并保温一定时间，然后提起 注塞棒，使合金充满铸模并自下而上定向凝固，可制备具 有晶202粒0/8/1取4 向的合金棒材。
2、定向晶及单晶制备的主要方法 （1）Bridgman法 将预先熔炼的母合金放于坩锅中，用电阻丝或高频感应加 热熔化合金，然后以一定的速度使坩锅下降或使热源上移 (以形成定向温度梯度)，进行单向凝固以得到定向晶或单 晶。晶体取向为<112>方向。
*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。
（2）区熔法 分为垂直悬浮区熔法和水平区熔法。先将合金熔炼成棒材， 然后用感应加热进行区域熔化，以得到定向晶或单晶。晶 体取向为<112>方向。
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（3）提拉法 将预先制备的合金置于坩锅中，用电阻丝、高频感应或电 弧加热熔化合金，用籽晶以一定速度向上提拉，熔体逐渐 固化而生长出定向晶或单晶。提拉的晶体具有<112>取向。
2020/8/14
*研究表明：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。
2、磁致伸缩与合金组成的关系 对 于 Tb0.27Dy0.73Fe2-y 合 金 ， 在 y=0.15 和 y=0.025 处 各 出 现 一 个磁致伸缩峰值，对于TbxDy1-xFe2合金，当x=0.7时，磁致 伸缩也出现一个峰值。对四元系合金，第四组元Mn对合金 磁致伸缩性能也有影响，在Mn含量约为0.125时出现峰值。
3、磁致伸缩与温度的关系 稀土-铁化合物随着温度的改变，会产生自旋再取向，易磁 化轴方向也会发生变化。
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4、磁致伸缩与预应力的关系 稀土-铁合金外加预应力时，磁性体会发生变形，磁化和磁 各向异性发生变化，可获得更理想的磁畴排列，从而提高 磁致伸缩特性。在磁场作用下，会产生磁致伸缩的跃变效 应。机理：无外场时，磁畴在外压力作用下沿<111>优先排 列，有外场时，磁畴发生大部分的突然转向，产生强制的 磁致伸缩跃变。
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二、Tb-Dy-Fe超磁致伸缩材料
1、Tb-Dy-Fe系合金的磁致伸缩特性 稀土-过渡金属系是最具应用前景的化合物系。其中， REFe2系立方Laves相化合物不仅磁致伸缩应变大，而且居 里温度也较高，是最主要的合金系。 缺点：磁晶各向异性能很高，使用时需要强磁场。 方案：利用各向异性常数符号相反的不同ReFe2合金相混合， 可获得较低磁晶各向异性能的磁致伸缩材料。
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
6.3 超磁致伸缩的产生机理
*目前普遍认为，超磁致伸缩现象是由于晶体在特定方向的 电子分布受磁场的影响更大所致。
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*在同一晶胞中，稀土原子的自旋磁矩与相邻稀土原子平行 而与相邻铁原子反平行。铁亚晶格的各向异性比稀土亚晶 格小得多，稀土-铁化合物室温下的超磁致伸缩和磁各向异 性都来源于稀土原子。稀土原子拥有较大的原子磁矩和巨 大的磁各向异性，这正是产生超磁致伸缩的内禀条件。
*1950年，发现了Alfer Fe-13％A1合金，它的磁致伸缩值达 到1×10-4
2020/8/14
*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。