磁性材料-第六章 磁致伸缩材料

二、声学领域的应用
1、声纳系统 电磁波常被用于通讯和探测等方面。但在水下它因衰减过 快而无法利用，于是人们利用声波及超声波讯号来进行水 下通讯、探测、遥控等工作，声纳就成为潜艇的口、眼。 早先采用的都是压电材料，但它们有以下缺点： (1)机电转 换系数低，输出功率低； (2)响应频率高，信号在水下衰减 快、传输距离小；(3)在数千伏的高压下工作，安全性差。
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。
（2）稀土-过渡金属间化合物 稀土-过渡金属形成的化合物具有较高的居里温度。
（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。 （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。
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。
*在同一晶胞中，稀土原子的自旋磁矩与相邻稀土原子平行 百度文库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。
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。
*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。
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。 （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 有晶粒取向的合金棒材。
三、伺服领域的应用
*伺服机构是将电信号及磁信号等的能量变换为机械能的机 构。 *利用REFe2材料的低场大应变、大输出应力、高响应速度 且无反冲的特征，可以制成结构简单的微位移致动器，广 泛用于超精密定位、激光微加工、精密流量控制、原子力 显微镜、数控车床、机器人和阀门控制等方面。
三、力学传感领域
1、静应力传感领域 利用应变导致磁特性的变化从而输出电压发 生 变 化 的 现 象 ， 用于磁应变传感器检测料斗的料位。把测力器放在料斗支 持部位，与负载成比例的输出电压经放大比较后自动触发 上/下限位开关从而实现料位的在线监测和实时控制。 2、振动、冲击应力传感器领域 在机器人领域，通常的磁致伸缩器件原型有 3种。以 c 为例， 当处于受力状态时， x方向和 y 方向的磁场不再均匀分布， 这样就会在输出线圈中产生磁通，激发线圈上成比例的2次 电压信号。利用它做传感器，可精确感受0.0lg的质量。
（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。 *常用的 Terfenol-D合金的产业化制备方法主要是区熔技术 和改进的Bridgman技术。
二、粉末冶金制备
1、合金粉末直接烧结法
自从大应变和低响应频率的 REFe2 压磁材料出现以来，声 纳性能大大改善，海底探测距离已达到数千公里。
应用领域：海底通讯、海底测绘、海洋捕捞、矿藏勘探、 油井测探、超声邻近传感器、超声焊接、超声无损探伤、 超声全息摄像、超声体外排石等等。
2、声延迟线 REFe2等化合物的弹性模量E随磁场的改变变化极大，由于 E的变化，声速也随磁场发生显著改变。利用这种效应，美 国人Arthur.E.Clark研制成可变延迟线。
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。
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。
* 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。
*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。
2、磁场热处理烧结法 在橡皮管两端加上一个直流磁场，并叠加交流磁场，使粉 末产生振动，以便更容易使粉末定向。也可将交流磁场换 为脉冲磁场。在磁场中机械加压压实粉末，然后再烧结。 得到的样品具有较高的密度，具有<111>易磁化轴的取向。
*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。
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
3、其它粉末冶金方法 用真空感加炉熔炼合金，熔体急冷成小于15m的非晶态， 再进行晶化热处理，得到的结晶态微粒，然后用粉末烧结 方法制成样品。
6.5 磁致伸缩材料的应用 一、磁致伸缩材料的应用基础
（1）磁致伸缩效应(Joule效应) 制作磁致伸缩制动器 （2）磁致伸缩逆效应(Villari效应) 制作磁致伸缩传感器 （ 3 ） E 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，可用于声延迟线。 （ 4）魏德曼效应 (Viedemann效应 )：在磁性体上形成适当 的磁路，当有电流通过时，磁性体发生扭曲变形的现象， 可用于扭转马达。 （ 5 ）魏德曼逆效应 (Anti-Viedeman 效应 ) ：使圆管状磁致 伸缩材料沿管轴发生周向扭曲，同时沿轴向施加交变磁场， 则沿圆周出现交变磁化的现象，可用于扭转传感器。
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。
（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。
3、扭转传感领域
扭矩传感器、阻尼减震系统