磁致伸缩材料讲稿

• T.A.Lograsso等在对无序结构如何提高磁应变
方面进行了相关探讨，他们用X射线对淬火态 单晶进行（100）和（111）面扫射时观测观测 到在2θ =44°处有明显衍射峰，该峰与无序bcc 相、有序DO3、Ll2相均没有对应关系。他们认 为是合金中出现了新的四方相，该相有类似 DO3晶体结构，又区别于DO3结构，称为 modified-DO3结构（也称B2-like结构），其 内部有沿【100】方向排列的Ga-Ga原子对。
• 磁致伸缩与自旋——轨道耦合效应直接的关
系可用图一进行。椭圆线包围着非球形分布 的电子，箭头表示每个原子的净磁矩。假定 自旋轨道耦合效应很强，在温度低于Tc时发 生的自发磁化效应将使自旋旋转，由于磁晶 各向异性，电子云成为从左向右看去的特定 取向，这将强迫核的间距拉开，然后。垂直 方向加外磁场，自旋和电子云都旋转90°，出 现磁致伸缩形变。这种效应是磁致伸缩的主 要来源。
磁致伸缩材料概述
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磁致伸缩材料应具有的特征
• 磁致伸缩系数大，能将更多的磁能转化为机
械能
• 驱动磁场小，能在较低的磁场下实现较大的
磁致伸缩应变
• 居里温度较高，能广泛应用于各种高温环境 • 材料成本较低，制备工艺简单
磁致伸缩材料的发展
磁致伸缩性能在1842年已被发现，直到1940年才得到 初步应用。那是人们发现Ni和Co具有较大的磁致伸缩性。 直到70年代一种新型的稀土超磁性伸缩功能材料发现以来 ，人们发现并运用的都是金属材料，应用范围受到很大限制 。1973年人们发现Tb1-XDyXFe2这种新型材料，其磁致伸缩系数比传统材料的约大80倍，土超磁致伸缩材料主要是 指稀土一铁系金属间化合物，这类材料的磁致伸缩值达到 1500—2000*10-6，比传统材料的的磁致伸缩大约2个数量 级，因此被称为稀土超磁致伸缩材料。此后，各国都对稀土 超磁致伸缩材料进行的大量的研究，采用各种不同制作工艺 ，不同的制作条件，制成了具有各种不同性质的超磁致伸缩 材料，取得了长足进展和一定成就。
• 他们认为，这种结构是在淬火时从无序bcc
Байду номын сангаас
相中通过马氏体转变形成的，该相降低了剪 切，模量，因而提高了磁致伸缩性能。除了 Modified-DO3相外，其余的各相都可以在 不同的热处理条件下获得。
图二：斯莱特曲线
3、场致磁致伸缩效应
• 在铁磁或亚磁体中，当温度在居里温度以下时
自发磁化在材料的内部形成大量磁轴，假 设畴的形状在居里温度以上是球形的，自动磁 化后变为椭球形，其磁化强度反向椭球的一个 主轴。 当没有外磁场时，磁畴的磁化是随机的， 外加磁场后，通过畴壁移动和磁畴转动，最终 大量磁轴的磁化方向将倾向平行于外场。
图一：磁致伸缩与自旋—轨道 耦合效应和之间的关系
2、交换积分效应
• 自发磁致伸缩是由交换力引起的，当磁体从
顺磁转变为铁磁状态时，其交换能也发生变 化，晶格的排列总是选择一种能量最低的位 置。从斯莱特曲线可以发现，交换积分越大 其交换能越小，原子间的距离总是朝交换积 分大的方向变化。假设有一个单畴的晶体， 在居里温度以上是球形的，由于系统在变化 的过程中总是力图使交换能变小，所以当其 自居里温度以上冷却下来，从顺磁状态转变 到铁磁状态时，由于交换作用力使晶体自发 磁化，同时，晶体也就改变了形状，晶体的 尺寸就增大了。
Fe-Ga合金的成分、相结构和性能
室温下纯Fe的磁致伸缩值只有： ƛ100=20ppm，ƛ111=-16ppm 加入非磁性的元素Ga后，形成替代式固溶体， Ga原子在固溶体中的占位直接影响着合金的有 序、无序程度，从而影响Fe-Ga合金的磁致伸 缩性能，所以研究不同相结构与Fe-Ga合金的 磁致伸缩性能之间的关系很有意义。
图四：Fe-Ga二元合金系相图
图五：A2、B2、DO3和 B2-like相晶体结构图
• A2、B2和DO3相属于体心立方结构，Ll2相
为面心立方相，DO19相属于六方晶系相。当 Ga含量在0~36at%范围，在1037℃以上为 A2单相固溶体，在低Ga范围内以α -Fe结构 固溶体的形式存在，稳定态为无序的A2和有 序的B2、DO3相。
• 如果畴内的磁化强度方向是自发形变的长
轴，则材料在外场方向将伸长，表现为正 的磁致伸缩； • 如果磁化强度方向是自发形变的短轴，则 材料在外场方向将缩短，表现为负的磁致 伸缩。 • 当磁场小于饱和磁化场时，样品主要表现 为线磁致伸缩，而体积几乎不变；当磁场 大于饱和磁化场时，样品主要表现为体积 磁致伸缩。
图三：场致磁致伸缩示意图
4、形状效应
• 形状效应主要是为了降低退磁场能量，要
求磁体的体积要缩小，而且在磁化方向要 伸长以减少退磁因子，设一个球形的单畴 样品，想象其内部没有交换作用和自旋— 轨道的耦合作用，而只有退磁能，为了降 低退磁能，在磁化方向要伸长以减小退磁 因子N，这就是退磁效应，它对磁致伸缩 的贡献比前两者要小。
磁致伸缩材料的分类
• 第一类：具有磁致伸缩效应的金属和合金
• 第二类：铁氧体磁致伸缩材料 • 第三类：稀土金属化合物超磁致伸缩材料
• 第四类：非磁性元素Ga与Fe制备的Fe-Ga合金
磁性材料磁致伸缩来源效应
1、自旋——轨道耦合效应 2、交换积分效应 3、场致磁致伸缩效应 4、形状效应
1、自旋——轨道耦合效应