超磁致伸缩材料及其应用

超磁致伸缩材料及其应用

一、超磁致伸缩材料基本概况

1．研究背景

20世纪80年代,人们提出智能材料的概念以来,有关智能材料的机理研究、智能材料的制备研究以及以智能材料为基础的智能系统与结构的基础与应用研究已成为当前力学、物理、材料、电子、机械及信息等学界的重大基础及应用课题,并已取得了大量卓有成效的研究,形成了"智能系统科学与技术"这一新兴的多学科交叉的高技术领域。它不仅用在国防和航空航天等高技术领域,而且在民用工业及生产活动中也发挥着重要的作用。

智能材料系统与结构中智能材料是关键,它是一种能通过系统调节材料自身各种功能并对外界复杂环境条件发生变化做出反应而发挥主动功能作用的材料,即具有感知环境变化和对外部环境做出反应的能力。其中,一类是对外界的刺激强度具有感知,如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等;一类是对外界环境条件发生变化做出响应。它们可以和控制电路、接口电路、数据通信及电源系统于一体,实现能量之间的转换,制作出各种各样的传感功能和执行功能的智能器件。目前,智能材料具有驱动功能作用的主要有压电材料、电致伸缩材料、形状记忆合金材料、磁致伸缩材料和电(磁)流变液等。表1.1所示为几种智能材料基本性能。

表1.1 几种常用功能材料基本性能指标

超磁致伸缩材料作为一种新型智能材料,其优良的磁致伸缩特性及潜在的应用前景在高技术领域得到普遍的重视,成为智能材料及其应用设计中的一种重要单元。

2.超磁致伸缩的发展

1842年著名物理学家焦耳首先发现:在磁场中,铁磁材料由于磁化状态的改变会引起其长度或体积发生微小变化，这种现象就称为磁致伸缩，也称焦耳效应。其中，材料在磁化过程中伴有晶格的自发变形，会沿磁化方向发生伸长或缩短的现象，称为线磁致伸缩;体积发生膨胀或收缩的现象称为体积磁致伸缩。一般的，由于体积磁致伸缩发生在材料达到饱和磁化以后，且体积磁致伸缩比线磁致伸缩要微弱得多，实际用途又非常少，在测量和研究中考虑得很少，因此工程上的磁致伸缩均指线磁致伸缩。线磁致伸缩的大小用磁致伸缩系数λ(即沿着磁场方向的相对伸长)衡量，如图1.1所示，当材料达到饱和磁化时，义将达到最大值，即称为饱和磁致伸缩系数λs。

图1.1 磁致伸缩材料在外加磁场作用下产生变形的示意图自从发现铁磁材料中存在磁致伸缩现象以后，人们对磁致伸缩材料的开发与探索陆续有了新的进展。1940年，多晶体Ni和Co、坡莫合金以及铁氧体所具有的磁致伸缩特性被研究人员发现，但饱和磁致伸缩系数量级约为30~70ppm(ppm=10-6)具有的低量级磁致仲缩系数限制了真正的广泛应用，仅有超声换能器等少数领域应用。1962年，美国水面武器研究屮心Clark博士等发现，稀土铽(Terbium)和镝(Dysprosium)单晶材料在0K低温下具有接近于1%的超大的磁致伸縮系数，但因其无法在正常的环境温度下工作而失去实际应用价值。1972

年，Clark等制备出了能够在常温环境下具有超磁致伸缩系数的二元立方晶Laves 相稀土金属化合物TbFe2和DyFe2，但这两类化合物具有非常强的磁晶各向异性(K1为磁晶各向异性常数)，TbFe2的K1=-7.6x106J/m3，DyFe2K1=2.1xl06J/m3，需要很大的外加磁场才能使它们达到饱和状态，这增加了实际应用的困难，不易于发挥它的超磁致伸缩优势。为了能够实现低磁场下的磁致伸缩特性，1974年，Clark等利用具有反号磁晶各向界性常数的化合物TbFe2和DyFe2组合起来形成伪二元化合物Tb1-x Dy x Fe y (0

从70年代中期发现超磁致伸缩材料Tb1-x Dy x Fe y合金以來，研究人员不仅对超磁致伸缩材料磁致伸缩性能进行了深入的研究，也对超磁致伸缩材料成分差异与制备工艺对超磁致伸缩材料性能影响进行了深入的研究，从而加快了超磁致伸缩材料的工业化、实用化和产品化以及功能器件的实际应用。如美国的Edge Technolies公司推出的商标为Terfenol-D的磁致伸缩材料、瑞典FeredynAB公司推出的Magmek86产品、英国稀土制品公司、日本东芝公司和住友轻金属工业株式会社等相继研发出自己的超磁致伸缩材料。在我国，也有相当多的单位开展了这种材料的研究，虽然开展的研究较晚，但其研究速度较为迅速。已经有较多单位和企业生产成分为TbDyFe的超磁致伸缩材料，如包头稀土研究院、北京有色金属研究院、中科院物理所、甘肃天星稀土功能材料有限公司、浙江椒光稀土材料有限公司等，其主要性能和指标也都已经接近或者达到了国际同类产品的水平。

一、超磁致伸缩材料的特性

1.超磁致伸缩材料的优点

目前，虽然研制出的超磁致伸缩材料在成分和制备工艺过程当中会存在一些差异，但超磁致伸缩材料的特性是共有的。以常用的TbDyFe合金棒材为例(成分为Tb1-x Dy x Fe y，0.27