稀土超磁致伸缩材料应用及展望
稀土永磁材料行业发展现状及建议
稀土永磁材料行业发展现状及建议稀土永磁材料是一类具有特殊磁性和稀有元素成分的材料，具有在较低温度下保持较高磁性，因此在电子、汽车、新能源等领域有着广泛的应用。
随着全球新兴技术的推动，稀土永磁材料行业正迅速发展，但也面临着一些挑战。
本文将从现状和建议两方面对稀土永磁材料行业进行分析。
一、行业现状1. 市场需求增长迅速随着电动汽车、风能、太阳能等新能源产业的快速发展，对稀土永磁材料的需求也在不断增加。
电子设备、通讯设备等领域对稀土永磁材料的应用也日益广泛。
根据市场研究数据显示，未来几年稀土永磁材料市场需求将保持良好增长态势。
2. 行业发展技术不断创新随着科技的不断进步，稀土永磁材料行业也在不断进行技术创新。
近年来，不少企业在新材料研发、生产工艺等方面取得了重大突破，推动了行业的良性发展。
3. 行业发展存在制约虽然稀土永磁材料行业发展迅速，但仍存在一些问题。
行业内个别企业产品质量不稳定，导致市场竞争力下降。
稀土永磁材料生产过程中对环境造成一定程度的污染，对于环保要求较高的市场造成了影响。
稀土永磁材料生产过程中对稀有元素资源的消耗也引起了国际社会的担忧。
二、建议1. 提高产品品质为了拓展市场竞争力，稀土永磁材料生产企业应该不断提高产品品质，确保产品的稳定性和可靠性。
企业可以通过改进生产工艺、加强质量管理等手段，提高产品品质，并保持技术领先地位。
2. 加强环境保护稀土永磁材料生产过程会对环境造成一定程度的影响，因此企业要加强环保措施，减少环境污染。
可以采用清洁生产技术，优化生产流程，减少污染物排放，同时加大废物处理和资源回收的力度。
3. 提高资源利用率稀土永磁材料生产需要大量稀有元素资源，而全球稀土资源的储量有限。
企业应该加大对稀土资源的节约利用，提高资源利用效率，同时寻求替代品或者新材料的开发，降低对稀有元素的依赖程度。
4. 加强科研与产业融合为了推动稀土永磁材料行业持续发展，政府、科研机构和企业应该加强合作，加大对新材料、新技术的研发投入，推动科技创新与产业发展的深度融合。
稀土超磁致伸缩材料介绍及应用
稀土超磁致伸缩材料在居里点温度以下时，铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积会发生微小的变化，这种现象称之为磁致伸缩效应，长度的变化是1842年由焦耳发现致伸缩材料是近期发展起来的一种新型稀土功能材料。
它具有电磁能与机械能或声能相互转换功能。
“稀土超磁致伸缩材料”是当今世界最新型的磁致缩功能材料,是一种高效的Tb-Dy-Fe 合金。
它在低磁场驱动下产生的应变值高达1500—2000ppm，是传统的磁致伸缩材料如压电陶瓷的5—8 倍、镍基材料的40—50 倍，因此被称之为“超磁致伸缩材料”。
“稀土超磁致伸缩材料”产生的应力大、能量密度高，可瞬间响应，并且具有可靠性高、居里温度高等优点，而且还是一种环保型材料；其所具有的卓越的电磁能与机械能或声能转换性能，是传统的磁致伸缩材料所无法比拟的。
“稀土超磁致伸缩材料”可广泛应用于众多行业的科学研究与生产制造领域，从军工、航空、海洋船舶、石油地质，到汽车、电子、光学仪器、机械制造，再到办公设备、家用电器、医疗器械与食品工业，无处没有它大显身手的机会。
在国防、航空航天和高技术领域：如声纳与水声对抗换能器、线性马达、微位移驱动（如飞机机翼和机器人的自动调控系统）、噪声与振动控制系统、海洋勘探与水下通讯、超声技术（医疗、化工、制药、焊接等）、燃油喷射系统等领域，有广阔的应用前景。
“稀土超磁致伸缩材料”对生产技术与生产工艺的要求极高，目前只有少数几个国家的个别企业能够生产。
由三个组元组成（Tbl －xDyx）Fey（X＝0．27~0．40，Y＝1．90~2．0）在较低磁场下具有很高磁致伸缩应变λ的合金，如Tbo0．3Dy0．7Fe1．95 首先于20 世纪70 年代初由美国海军表面武器实验室的A．C．Clark 博士等人发明，当即他们申请了美国专利。
美国海军表面武器实验室于1987 年将该专利技术转让给美国阿依华州 A mes 市的前沿技术公司创建了专门生产稀土超磁致伸缩材料的E trema INC 分公司。
超磁致伸缩材料及其应用研究_李松涛
超磁致伸缩材料及其应用研究＊李松涛 孟凡斌 刘何燕 陈贵峰 沈 俊 李养贤(河北工业大学材料科学与工程学院 天津 300130)摘 要 稀土超磁致伸缩材料是一种新型稀土功能材料.文章概述了超磁致伸缩材料(GMM )的研究历史;对比了一种实用的超磁致伸缩材料(Terfenol -D )和压电陶瓷材料(PZT )的性能;阐述了超磁致伸缩材料当前在以下两个方面取得的研究进展:(1)关于工艺方法的研究:包括直拉法、区熔法、布里奇曼法和粉末烧结、粘结等方法;(2)关于材料组分的研究:包括对Fe 原子的替代研究以及开发轻稀土超磁致伸缩材料的研究.文章最后叙述了超磁致伸缩材料的应用领域,以及发展我国稀土超磁致伸缩材料的意义.关键词 超磁致伸缩,稀土金属间化合物Giant magnetostrictive materials and their applicationLI Song -Tao MENG Fan -Bin LI U He -Yan CHEN Gui -Feng SHEN Jun LI Yang -Xian(Scho o l o f M ate rial Sci enc e &Engi nee rin g ,He bei Uni ver sit y of Tech no lo gy ,Tian jin 300130,C hin a )Abstract Rar e -earth giant magnetostrictive materials (GMM )are a type of ne w functional mater ials .A br ief de -scription is given of the histor y of giant magnetostrictive materials ;and their char acteristics are compared with those of piezoelectr ic mater ials .Curr ent research developments are descr ibed ,in particular :(1)fabrication technology ,in -cludingthe Czochraski ,FSZ ,Bridgman ,po wder -sintering and powder -bonding methods ;(2)c omposition studies of GMM ,including the substitution for Fe in RFe 2and exploitation of light rare -earth GMM .Applications and the impor -tance of GMM researc h in China are r eviewed .Key words giant magnetostr iction ,rar e -earth -transition inter metallics＊ 国家自然科学基金(批准号:50271023)和教育部科学重点(批准号:02017)资助项目2004-03-23收到初稿,2004-06-07修回 通讯联系人.E -mail :ad mat @js mail .h eb ut .edu .cn1 磁致伸缩效应简介1842年,焦耳(Joule )发现沿轴向磁化的铁棒,长度会发生变化,这种现象称为磁致伸缩效应,又称为焦耳效应[1],从广义讲包括顺磁体、抗磁体、铁磁体以及亚铁磁体在内的所有磁性材料都具有磁致伸缩性质.但是顺磁体、抗磁体材料的磁致伸缩值很小,实际应用价值不大;而对于部分铁磁性及亚铁磁性材料,磁致伸缩值较大,数量级可以达到103ppm ,具有很高的实用价值,引起研究人员的重视.磁致伸缩材料的应用主要涉及到以下几种效应:(1)磁致伸缩效应(焦耳效应):材料在磁化状态改变时,自身尺寸发生相应变化的一种现象.磁致伸缩有线磁致伸缩(长度变化)和体磁致伸缩(体积变化)之分,其中线磁致伸缩效应明显,用途广,故一般提到的磁致伸缩都是指线磁致伸缩.(2)磁致伸缩的逆效应(Villari 效应):对铁磁体材料施加压力或张力(拉力),材料在长度发生变化的同时,内部的磁化状态也随之改变的现象.(3)威德曼效应(Wiedemann )效应:在被磁化了的铁磁体棒材中通电流时,棒材沿轴向发生扭曲的现象.(4)威德曼效应的逆效应(Matteucci 效应):将铁磁体棒材绕轴扭转,并沿棒材的轴向施加交变磁场时,沿棒材的圆周方向会产生交变磁场的现象.(5)ΔE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.正是由于上述效应的存在,磁致伸缩材料才能广泛应用于超声波、机器人、计算机、汽车、致动器、控制器、换能器、传感器、微位移器、精密阀和防震装置等领域[2].2 超磁致伸缩材料的研究历史在焦耳发现磁致伸缩现象后的一个世纪里,人们一直在努力探索实用的磁致伸缩材料,但是大部分材料的磁致伸缩值只有10-6—10-5数量级,仅相当于热膨胀系数.直到1940年,Ni和Co的多晶(Ni,Co-Ni,Ni-Fe,Fe-Co)材料出现后,磁致伸缩材料才得到实用化,磁致伸缩约为40ppm,主要应用于超声波换能器.1950年,发现了Alfer Fe-13%Al合金,它的磁致伸缩值达到100ppm,磁致伸缩材料的研究取得了一定进展.但是早期的磁致伸缩研究大部分是关于噪声的,如1954年Hunt发现放置在通有交变电流的线圈附近的永磁体会发出声音;日常生活中的老式日光灯镇流器会发出的低鸣声,都是磁致伸缩效应在交变磁场下的表现.20世纪60年代,Legvold[3],Clar k[4]和Rhyn[5]等致力于稀土类磁致伸缩材料的研究,并取得较大进展.该类材料的磁致伸缩值比一般材料要大上百倍,因此称为超磁致伸缩材料.一般来讲,超磁致伸缩材料包括稀土金属、稀土-过渡金属间化合物及其非晶薄膜合金、稀土氧化物和锕系金属化合物,其中只有MgCu2型Laves相金属间化合物RFe2(R代表稀土元素)及其非晶薄膜以其居里温度高、室温磁致伸缩值大而倍受研究人员的关注.室温超磁致伸缩材料的研究始于20世纪70年代,Clar k等人[6]系统研究了稀土-过渡族金属(Ni,Co,Fe,Al,Mn)化合物,发现具有MgCu2型Laves相结构的RFe2合金具有较大的室温磁致伸缩值.但是该材料的磁晶各向异性能很高,各向异性常数达到106J/m3数量级,仅被当作永磁材料的候选者.后来,研究人员发现RFe2的各向异性常数具有正负号,于是利用符号相反的RFe2相互补偿来获取较低磁晶各向异性能的磁致伸缩材料.1974年, Clark等人[7]成功地发现了赝二元金属间化合物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,目前Terfenol-D牌号的超磁致伸缩材料(Tb x Dy1-x Fe2)已经商品化应用.如今,稀土超磁致伸缩材料像稀土磁光材料、稀土永磁材料和稀土高温超导材料一样,成为人们广泛关注的又一新型稀土功能材料.3 超磁致伸缩材料T erfenol-D的优点目前,在各种致动器件中广泛应用的是压电陶瓷材料,然而Terfenol-D材料较压电陶瓷材料具有更优越的性能:(1)室温磁致伸缩值更大,单晶材料应变值达1500ppm以上,比传统压电陶瓷材料高数倍.(2)居里温度高,适用于高温环境.当环境温度高过居里温度时,磁致伸缩性能只会暂时消失,待冷却到居里点后,磁致伸缩性能完全恢复;而压电陶瓷在工作温度以上会极化而永久失效.(3)输出应力大,在外加预应力条件下,磁致伸缩还存在跳跃效应.(4)能量转换效率高,机电耦合系数可达到0.8.(5)超磁致伸缩材料可承受高达200MPa的压力,能适用于高压力的执行器、大功率的声学换能器等,而压电陶瓷无法承受较大的压应力.(6)驱动电压低,只需几伏电压驱动,远低于压电陶瓷几千至几万伏高压驱动.(7)响应速度快,对磁场和应力几乎即时响应,可用于快速执行器.(8)频率特性好,频带宽.表1 超磁致伸缩材料Terfenol-D与压电陶瓷材料物理性能对比材料特性Terfenol-D材料压电陶瓷材料应变值(ppm)1500800声速(m/s)1700—2600—产生应力(kg/c m2)300150居里温度(℃)380℃±40180℃±100机电耦合系数0.80.7响应速度μs级ms级4 超磁致伸缩材料当前的研究热点和进展4.1 关于制备工艺的研究〈111〉方向是T erfenol-D材料的易磁化方向,也是磁致伸缩系数最大的方向.因此生长〈111〉方向的单晶是获得大磁致伸缩材料的途径之一.磁致伸缩材料单晶或取向晶体的生长方法主要有直拉法、悬浮区熔法和布里奇曼法等等.直拉(Czochraski)法是将籽晶与熔融金属接触,以一定速度拉出,依靠固液界面张力将熔化金属提出后凝固生成单晶的晶体生长方法.该方法要求高的真空度和高纯度的原料,拉出的晶体成分偏差较大,目前只用于实验室研究.悬浮区熔(Free-standing-zone)法是将母合金棒放入悬浮区熔装置中,由感应线圈提供一定宽度的熔区,棒相对于感应线圈上下移动,母合金经过熔化-凝固过程后得到孪晶或定向多晶的方法.悬浮区熔法避免了坩埚对原材料的污染,元素烧损少,轴向成分和性能比较均匀.此方法适用于生产小尺寸的棒材.布里奇曼(Bridgman)法是将熔体置于底部尖端的坩埚内,熔体通过水冷结晶器作用,缓慢生成单晶的方法.该方法生成的棒材磁致伸缩性能略差,但是可以一次浇注多根不同尺寸、不同形状的棒材,适合大规模生产,目前已经商业化应用.目前,研究者在单晶和取向晶体的制备工艺上取得了很大的进展,如北京科技大学周寿增教授、北京航空航天大学蒋成保教授等成功制备出[1-10][8]、〈113〉[9]和[112][10]取向的TbDyFe磁致伸缩材料.由于T erfenol-D合金凝固时晶粒的择优生长方向为〈112〉和〈110〉,且在晶体生长过程中容易出现包晶反应、组分过冷,生长〈111〉方向的单晶很难.1995年,中国科学院物理研究所吴光恒研究员采用直拉法首次生长出〈111〉方向的T er fenol-D单晶[11],其自由样品磁致伸缩值达1800ppm;在6MPa 压力和2kOe(1Oe=79.5775A/m)磁场作用下,该单晶最大磁致伸缩值为2375ppm[12].由于制备单晶和取向晶体的成本高,且需要根据实际应用对单晶进行切割处理[13],造成很大浪费,更不能制备大尺寸和形状复杂的磁致伸缩应用元件.于是研究者借鉴了永磁材料制备中的烧结和粘结技术.如利用磁场取向成型法[14],将Terfenol-D 粉末制成晶粒沿磁场方向取向的压结体,然后在一定的温度(950—1050℃)下烧结12h,使晶粒长大.在14kOe下,该烧结体材料的磁致伸缩值达到1067ppm.Clark等用粉末粘结法[15]制备了ErFe2和TbFe2的粉末粘结体,其中在磁场下固化的TbFe2粘结体,饱和应变达到1185ppm.另外研究者还研究了不同胶含量和粉体粒径对磁致伸缩性能的影响[16,17].烧结和粘结方法虽然降低了磁致伸缩系数,却能够制备大尺寸异形元件,具有很高的实用价值.4.2关于超磁致伸缩材料组分的研究目前稀土超磁致伸缩材料组分的研究主要集中在以下两个方面:4.2.1 对RFe2结构中Fe原子的替换研究人员用Ni,Co,Mn,Al取代RFe2中的Fe 后发现,Mn的替代[18]显著降低了磁晶各向异性能,磁致伸缩值增大;而Ni,C o的替代未见明显的效果,Al的替代虽然降低了磁致伸缩,但同时略微降低了饱和场[19].另外少量的非金属B的掺杂可促进成相和提高磁致伸缩[20,21].4.2.2 开发含轻稀土的超磁致伸缩材料对于T erfenol-D而言,限制其推广的一个原因是重稀土价格昂贵.因此,价格低廉的轻稀土超磁致伸缩材料成为又一研究热点.这方面的工作开始主要集中在含Sm和Pr的化合物上[22,23].由于具有与TbFe2相比拟的室温磁致伸缩,SmFe2首先引起研究者的重视.但SmFe2的磁致伸缩值是负的,应用范围较小.因此可能使用的材料是含Pr的化合物,但是由于Pr的原子半径较大,常压下不能合成含有较高浓度Pr的Laves相材料.研究发现,Ce原子具有较高的结合能,Ce的掺入能够提高Laves相金属间化合物中Pr的浓度[24].因此研究含有Pr,Ce轻稀土的超磁致伸缩材料具有重要的研究价值.对于含轻稀土Pr的Laves相金属间化合物的研究[25,26],发现Pr0.15Tb0.75Dy0.25Fe2取向材料λ=2200ppm(H= 10kOe),磁致伸缩性能比无Pr替代的Tb x Dy1-x Fe2高出约400ppm.根据单离子模型,CeFe2和PrFe2在0K下的磁致伸缩值分别达到6000和5600ppm,分别远大于TbFe2、DyFe2的4400和4200ppm.然而低温条件下CeFe2磁致伸缩系数仅为60ppm.原因在于CeFe2中稀土Ce离子表现为+3.29价,而不是+3价,因此,获得表现为+3价的Ce基化合物有可能获得大磁致伸缩材料.唐成春博士研究了含Ce的Laves相金属间化合物,通过对材料的晶体学、磁学性质的分析,系统地研究了Ce的变价行为,证明Ce向+3价的波动确实对磁致伸缩有贡献[27—31],在Ce基轻稀土超磁致伸缩材料研究方面取得较大的进展.5 超磁致伸缩材料的应用领域超磁致伸缩材料和压电陶瓷材料在军事、电子、机械等领域有着重要的应用.利用电磁能和机械能的有效转换,磁致伸缩材料和压电陶瓷材料可以制成众多先进器件,如声/水声学器件、力学器件、执行器件、换能器件等.近年来,随着超磁致伸缩材料的不断开发和应用,已形成了替代压电陶瓷的趋势.超磁致伸缩材料的用途可分为以下几个方面.5.1 声学方面声信号是水下通信、探测、侦察和遥控的主要手段.声纳装置的核心元件是压电材料和磁致伸缩材料.声纳发射的声波频率越低,声信号在水中的衰减就越小,传播的距离就越远.同时,宽频带响应可以提高声信号的分辨率.超磁致伸缩材料T er -fenol -D 与压电陶瓷材料PZT 相比具有输出功率大、低频特性好、工作温度范围大、低电压驱动等优点,从而在声纳系统中得到广泛的应用.用Terfenol -D 制成的超声波发生器在捕鱼、海底测绘、建筑和材料的无损探伤方面也有很好的应用前景[32].图1是超磁致伸缩材料的应用原理图.由驱动线圈提供磁场,T erfenol -D 棒材的长度会发生变化,从而将电能转换成声波或机械能输出.另外超声振动能够使液体瞬间产生大量气泡并破裂,产生局部的高温、高压和机械振动,于是人们用超磁致伸缩材料制成了大功率超声换能器,用于超声清洗、加工和分散等领域.图1 超磁致伸缩材料应用原理5.2 传感器和电子器件利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩大、响应速度快的特点,超磁致伸缩材料可以制成位移、力、加速度的传感器,还可以用于与磁场有关的物理量测量.Chung 等利用T erfenol -D 设计了一个磁致伸缩型二极管激光磁强计[33],对90Hz 的交变磁场,具有0.2m Oe 的分辨率,而一般商用磁强计只有1m Oe 的分辨率.5.3 微控制领域利用超磁致伸缩材料应变随磁场变化以及响应速度快的特点,超磁致伸缩材料可制成精密致动器、控制阀门和高速阀门的驱动元件,用于精确定位、微动马达和精密阀门等方面,如分辨率达nm 级的微位移执行器和微小步进达微弧度的旋转马达[34].超磁致伸缩材料可应用于燃料注入系统,实现对燃料的精确、瞬时控制,以达到燃料充分燃烧,减少污染的目的,目前已经应用于汽车等内燃机.5.4 阻尼减震系统根据磁致伸缩材料机械响应快、能够将机械能转变成磁能的特点,ABB 等几家公司设计了阻尼减震系统,并预见了磁致伸缩材料用于未来的交通工具的减震技术.该系统由Terfenol -D 伺服阀控制液压柱,取代弹簧和减震器,根据微机信号进行反应,使用该减震系统的交通工具在行驶时会十分平稳.超磁致伸缩材料制成的元件在功率、响应频率、低压效果、可靠性等方面的优势引起了世界各国的重视.美国海军早在20世纪70年代就开始了水下超磁致伸缩材料的研制工作;日本海洋科技中心与NKK 电子工业公司开发了用于音响层X 射线照相术的超磁致伸缩低频声纳换能器;东芝公司试制了超磁致伸缩低频小型扬声器,超磁致伸缩材料已经进入民用阶段.人们仍在努力探索室温超磁致伸缩材料应用的新领域.6 结束语高性能的超磁致伸缩材料是现代技术所必须的重要功能材料之一,它的广泛应用将导致一系列控制和执行元件的革命.高技术产业的迅速发展,对稀土超磁致伸缩材料的需求日益增大.据有关专家预测,用于超声波器件的超磁致伸缩材料,在美国一年需要 0.5—1in (1in =2.54cm )圆棒约10000in .用于油压机、机器人等的超磁致伸缩材料在美国市场每年约6亿美元;用超磁致伸缩致动器取代传统压电致动器的市场更加可观.稀土超磁致伸缩材料中稀土占有相当大的比例,以原子百分浓度计达33%以上.我国是一个稀土大国,超磁致伸缩材料又有广阔的市场和应用前景,所以开展稀土超磁致伸缩材料的研究,开展多学科的交叉研究,拓展超磁致伸缩材料的应用,对推动我国稀土事业的发展和提高科技水平将产生深远的影响.参考文献[1]钟文定.铁磁学(中).北京:科学出版社,1987.21[Zhon g W D .Ferromagn etics (Ⅱ).Beijin g :Science Press 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教授领导的研究组发明了一种超声装置可放在客车上对火车铁轨的裂缝进行探测.过去超声径迹探测设备必须要安装在特殊的火车上才能进行工作,这种火车的速度要保持在每小时20—30英里.而现在的新装置是可以在一般快速疾驶的载人客车上使用,车速可达到每小时200英里.它还可以连续地、常规地检查刚出现的铁轨的裂纹.新的超声技术可以探测到离铁轨表面15mm 深处的裂纹缺陷,另外它还可以测量出裂纹的“量规角(gauge -corner )”,所谓的量规角经常发生在动的车轮与铁轨端点相接触处.由量规角裂缝引起的径迹故障常常是许多意外事故发生的原因;例如2000年10月发生在英国的火车脱轨事故也是由此产生的,该事故造成四位乘客伤亡.安装在火车上的探测器,它能产生“低频、宽带的瑞利波”.多种频率的声波将沿着铁轨表面快速地传播,不同频率的波可以穿透到离铁轨表面的不同深度.低频波一般能穿透15mm 左右.若声波在碰到铁轨内的裂缝时,其中的部分将会被阻截,这时稍稍有一部分声波会发生反射,从而被探测器测定,根据各种波的频率大小就可以测出裂缝的精确位置与深度.初步的试验结果表明,这项新技术还可以检测铁轨内部微结构的变化和应力的分布.这对于识别裂纹的敏感变化有极大的好处.当然为了能证实上述的各种能力,还需要进行一系列的实验工作,特别是要把探测从实验室的条件转变到真正的实际客车上去作试验.(云中客 摘自Issue of Insight The Journal of the British Institute of Non -Destructive Testing ,June 2004)。
超磁致伸缩材料的工程应用研究现状
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国外有关超磁致伸缩材料的应用研究
稀土超磁致伸缩材料的优异特性一经发现立即受
到各国科技界、 工业界和政府部门特别是军事部门的 高度关注。 近几年来， 国外研制了近千种应用lt;>? 期
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现状・趋势・战略
二次电压信号。 压磁式压力传感器具有输出功率大、 抗 干扰能力强、 寿命长、 维护方便、 能适应恶劣工作环境 等优点， 在工业自动化领域中有着良好的应用前景。 多元稀土铁化合物存在一个补偿温度， 在此温度 下其热膨胀系数从 ! " #$ % & ’ ( 突然增大到 ##! " #$ % & ’ 弹性模量亦发生锐变， 并可通过改变磁场或材料的 (， 成分来改变补偿温度。 利用该特性可制作热膨胀检测 器件。 ) * + 在磁 ) 电 + —机械换能器中的应用 基于超磁 致伸缩材料的磁 ) 电 + —机械换能器具有大位移、 强力、 响应快、 可靠性高、 漂移量小、 驱动电压低等优点， 因而 在超精密加工、 微马达、 振动控制以及流体机械等工程 领域均显示出良好的应用前景， 是一种很有潜力的新 型智能驱动元件。 ! 在超精密加工中的应用 精度达到纳米级及以 上的超精密定位系统目前大多采用基于压电陶瓷材料 的致动元件， 其输出功率低， 且必须采取有效措施防止 冲击力和高驱动电压造成的击穿短路等问题。 超磁致 伸缩驱动元件输出位移是电致伸缩致动器的数十倍， 且可低阻抗运行。 日本茨城大学江田弘和东芝公司的 (,-./.012 合作设计了定位精度达到纳米级的超磁致 伸缩致动器 ) 见图3 + ， 并将其成功地应用于大型光学金 刚石车床的微进给装置
*
国内超磁致伸缩材料研究开发概况
铽镝铁(TbDyFe)合金稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D介绍
铽镝铁(TbDyFe)合金稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D介绍铽镝铁（TbDyFe）合金稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D介绍天津华安旭阳国际贸易有限公司孙庆仑铽镝铁（TbDyFe）合金是一种新型的稀土超磁致伸缩材料，其室温下的磁致伸缩应变量（磁致伸缩系数）之大是以往任何场致伸缩材料所无法比拟的。
它比传统的镍钴（Ni-Co）等磁致伸缩合金的应变量大几十倍，是电致伸缩材料的五倍以上。
可高效地实现电能转换成机械能，传输出巨大的能量。
在10-5～10-6秒的极短时间内，精密、稳定地形成与磁场静、动态特性相匹配的无滞后型响应。
其响应稳定，速度敏捷，使铽镝铁合金作为驱动元件的机械系统反应滞后时间显著降低，这也是铽镝铁合金元件在交变磁场中快速产生伸缩应变响应的重要特性，从而使它在工业的科技开发中作为执行元件、控制元件、敏感元件得到了越来越广泛的应用稀土超磁致伸缩材料在声学领域的应用成果之一，是平板扬声器技术。
平板扬声器（Flat panel technology）具有优异的频响特性和音质，可以产生360度的声场，几乎穿越任何平面，开辟了设计各种新型扬声器的可能性。
把稀土超磁致伸缩材料元件用于微位移机构，可以快速、精确、稳定地控制复杂的位移运动。
在机器人准确的关节控制；机床部件的精密位移控制；成型加工机床的伺服刀架控制；机构传动误差和刀具磨损的补偿控制；电力分配系统中开关、继电器的强力触头控制；激光镜、望远镜、电子显微镜的精细聚焦等控制中，可显著地优化结构、改善性能、提高效率、降低损耗。
在用稀土超磁致伸缩材料驱动的线性马达、伺服阀、强力液压泵、精密输液泵（医用）、高速阀门、燃油喷射系统（汽车发动机）等装置中进行随机控制，有效地提高自动化程度，简化液压控制系统，达到高效节能，安全可靠。
利用铽镝铁合金元件的即时响应特性，可有效地控制机械系统的振动，达到消振、降噪之目的。
反之，利用稀土超磁致伸缩材料元件的可控特性，改善振动工艺过程（抛光、振动切削），提高产品质量和生产效率。
磁致伸缩材料的应用
用途：航天航空数字伺服系统的核心元件，高频快速 控制领域中的重要部件。 特点：由GMM制作的新型电液高速开关阀，可在频率 大于1KHz的高频状态下稳定安全地工作，比PZT高速开 关阀快响应速度更快、漂移更小、输出位移更大、更耐 高温。
北京航天航空大学自主研 制的新型电液高速开关阀。 原理：线圈通电时产生驱 动磁场，从而使超磁致伸缩 棒伸长，推动推杆，推杆顶 压滚珠a，从而推动杠杆工作， 杠杆通过滚珠b克服预压弹簧 阻力而推动阀芯移动，从而 使进出液口相通。
1.外套 2.出水管 3.弹簧 4.输出轴5. 导向块 6.导磁体 7.超磁致伸缩棒 8. 水箱 9.永磁体 10.导向块 11.进水管 12.导磁体 13.螺钉 14.底盖 15.传感 器 16.线圈 17.骨架 18.电阻应变片 图8 超磁致伸缩微位移执行器 Fig.8 Magnetostrictive small of displacement actuator
超磁致伸缩大功率超声换能器 Fig.2 Giant magnetostrictive high power ultrasonic transducer
2、力传感领域
施加应力
原理：磁致伸缩逆效应。
永磁铁 超磁致伸缩棒
空气隙
轭铁
图3 超磁致伸缩力传感器 Fig.3 Giant magnetostrictive force sensors
优点：比压电陶瓷传感器 的性能更突出，体积轻巧、 抗干扰能力强、过载能力好、 工艺简单、长寿命。 用途：静态力测量、动态 力的测量、重工业、化学化 工、自动化控制系统等领域。
图4 超磁致伸缩轴向扭矩传感器 Fig.4 Giant magnetostrictive axial torque sensors
超磁致伸缩材料及其应用
超磁致伸缩材料及其应用13新能源(01)班张梦煌1305201026超磁致伸缩材料(GMM)是一种在室温和低磁场条件下，就能产生很大磁致伸缩应变的新型功能材料，具有输出力大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出应变大等优点，在智能系统中具有广泛的应用前景，其力学响应行为涉及变形场、磁场、涡流场、温度场相互耦合问题，直接关系到智能系统的性能指标和可靠运行。
LI前人们已经设计并制造出各种智能结构和器件，如：主动减振装置、高精度线性马达、超磁致伸缩微泵、微阀门、微定位装置等等，使得磁致伸缩材料在众多的功能材料中备受瞩口。
超磁致伸缩材料Terfenol-D与压电陶瓷材料相比具有更优越的性能。
超磁致伸缩材料(giant magnetostr ietive material ,简写为GMM)是A. E. Clark 等人于70年代发现的，是一种新型的功能材料，它能有效地实现电能与机械能的相互转换。
山于具有应变值大、电能一机械能转换效率高、能量传输密度大、高响应速度等特点，该材料已引起广泛的注意，并逐步开始应用于声纳、超声器件、微位移控制、机器人、流体器件中。
表1.1给出了电磁场，变形场和温度场之间能量转换的不同效应。
形状记忆合金和压电陶瓷都已在航空航天结构中被用于控制和制动。
形状记忆合金非常适合用在高冲程量、低带宽的领域中，例如旋翼叶片的飞行追踪。
而压电陶瓷适用于低冲程量、高带宽的悄形，例如被安置在直升飞机的后缘襟翼上以降低较高的谐波振动。
磁致伸缩材料可以提供机械能和磁能之间的转化，其带宽在30KHz左右，低于电致伸缩材料和压电陶瓷，但高于形状记忆合金。
在过去的儿年中，能产生大于0. 001应变的磁致仲缩材料受到广泛的关注，这主要是因为这种材料非常适合应用在一些需要较大驱动力和较小位移的领域，如可变形表面，主动振动控制和精确制造等等，在商业应用中也可以产生巨大的经济效益。
磁致伸缩器件山于其独特的功能优势在许多危险工作条件和高温环境下性能出众，并且能够在低频磁场下调节应力和位移。
稀土磁性材料论文
稀土磁性材料研究现状摘要：材料是社会技术进步的物质基础与先导。
现代高技术的发展，更是紧密依赖与材料的发展。
稀土元素因其独特的电、光、磁、热性能而被人们称为新材料的“宝库”，是国内外科学家，尤其是材料专家最关注的一组元素。
目前，稀土磁性材料作为一组重要的稀土新材料，在国内外的研究已初具规模，这些新材料的应用不仅极大地改造和提升了传统产业，而且构成了当今世界先导型、知识型产业的核心竞争力。
为此，加强稀土磁性材料的研发，大力扶持国内稀土产业将变得尤为重要。
关键词：稀土、磁性材料、研究现状、发展趋势一、各种稀土磁性材料的简单论述1.1、稀土永磁材料稀土由于其独特的4f电子层结构，可以在一些与3d元素化合物组合成的晶体结构中形成单轴磁各向异性，而具有十分优异的超常磁性能。
表1列出了各类稀土永磁体与传统的铁氧体、铝镍钴永磁体的磁性能，显然稀土永磁体比传统永磁体具有高得多的磁性能。
表1 各类永磁体的磁性能稀土永磁体中，钕铁硼的磁能积最高，但它的居里温度低，工作温度低，温度系数高。
虽然现在已开发出工作温度达到200℃的钕铁硼，但在许多地方还是不能替代工作温度高，温度系数低的钐钴永磁。
现已开发出工作温度可达400℃、500℃的Sm2(Co,Cu,Fe,Er)17磁体[3]。
10年前发明的稀土—铁—氮永磁材料，理论磁能积与钕铁硼接近，但居里温度高，温度系数小，耐腐蚀性能好，与粘结磁体中使用的快淬钕铁硼相比，具有很强的竞争力。
其中的NdFe12N x永磁是我国科学家杨应昌院士发明的[4]，其NdFe12N x实验室样品的磁能积已达到22MGOe，超过MQ-2钕铁硼磁粉。
纳米晶双相交换耦合稀土永磁材料是高磁晶各向异性的稀土永磁相与高饱和磁化强度的软磁相在纳米尺度内交换耦合而获得兼具二者优点的复合永磁材料，理论计算表明，纳米稀土复合永磁体的最大磁能积远远超过钕铁硼，如表2所示。
表2 纳米双相稀土永磁体的理论磁能积目前，实验结果已证明交换耦合的存在，但实际达到的磁能积远低于理论值，如Nd7Fe89B4和Sm7Fe93N的磁能积分别达到20.6和25MGOe[2]，“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”，最大磁能积超过100MGOe的稀土新一代磁体，乃是科技工作者的努力方向。
稀土超磁致伸缩材料
稀土超磁致伸缩材料
稀土超磁致伸缩材料是一种新型的智能材料，它具有磁致伸缩效应和磁记忆效应，可以在外加磁场的作用下发生形变，同时还能够记忆其形状，具有很好的应用前景。
稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应是指在外加磁场的作用下，材料会发生形变，这种形变可以达到很大的程度，甚至可以达到几个百分点。
这种效应可以应用于机械传动、精密仪器、医疗器械等领域，可以实现微小的位移和力的控制。
稀土超磁致伸缩材料的磁记忆效应是指在外加磁场的作用下，材料会记忆其形状，当外加磁场消失时，材料会恢复到原来的形状。
这种效应可以应用于形状记忆合金、智能材料等领域，可以实现形状的控制和变化。
稀土超磁致伸缩材料具有很好的应用前景，可以应用于机械传动、精密仪器、医疗器械等领域，可以实现微小的位移和力的控制。
同时，它还可以应用于形状记忆合金、智能材料等领域，可以实现形状的控制和变化。
未来，随着科技的不断发展，稀土超磁致伸缩材料的应用领域将会越来越广泛，为人类的生产和生活带来更多的便利和创新。
超磁致伸缩材料的特性及其应用
材料、信息与能源称为现代人类文明的三大支柱，其中材料最为基础，国民经济的各部门和高技术领域的发展都不可避免地受到材料—特别是高性能材料发展的制约或推动。
传统的电工材料一般是指电工设备中常用的具有一定电、磁性能的材料，按其用途可分为４大类：绝缘材料、半导体材料、导体材料和磁性材料。
但随着科学技术的迅猛发展，各种新型高性能材料不断涌现，为电工及相关行业的发展起到巨大的推动作用，应用领域也在不断拓宽，因此，把应用于电工产品的材料和以电、磁性能为特征的新型功能材料均定义为电工材料，提出了新型高性能电工材料的概念［１］，目前主要包括超导体材料、超磁致伸缩材料、磁性液体材料、电（磁）流变液、压电（铁电）材料和磁光材料等。
这些材料因其具有优异的性能，给电工行业带来了新的活力，在军民两用高技术领域有着广泛的应用前景。
１超磁致伸缩材料及其应用１．１性能特点铁磁材料或亚铁磁材料在居里点温度以下，在磁场中被磁化时，其长度和体积都要发生微小的变化，这一现象称为磁致伸缩或磁致伸缩效应，它是焦耳（Ｊ．Ｐ．Ｊｏｕｌｅ）在１８４２年发现的，故亦称焦耳效应［２］。
目前，磁致伸缩材料主要有三大类：镍和镍基合金、压电陶瓷材料（简称ＰＺＴ）和稀土超磁致伸缩材料。
稀土超磁致伸缩材料主要是指稀土－铁系金属间化合物，以Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ为代表。
稀土超磁致伸缩材料与压电材料（ＰＺＴ）和传统磁致伸缩材料Ｎｉ、Ｃｏ等相比，具有独特的性能：１）在室温下的磁致伸缩应变大，可达０．１５％，比镍的高４０￣５０倍，比压电陶瓷高５￣２５倍，如此大的应变量，可以实现很高的输出功率；２）能量密度（Ｊ／ｍ３）高，比镍高４００￣８００倍，比压电陶瓷高１４￣３０倍；３）产生收缩的响应速度快，响应时间仅１０－６ｓ，即对磁化和应力几乎即时响应；４）输出力大，负载能力强，可达到２２０￣８００Ｎ；５）能量转换效率高，机电耦合系数Ｋ３３＞０．７，即能量转换效率高于７０％，而镍基磁致伸缩材料只有不到２０％，压电陶瓷也只有４０％￣６０％；６）具有较高的居里温度３８０￣４２０℃，工作性能稳定，可用于２００℃以上的较高温区，还可以通过成分设计调整温度特性；７）声速较小（ｃＨ≥１７００ｍ／ｓ），用于超声波元件可减小机械共振中所需要的尺寸；８）超磁致伸缩材料可＊收稿日期：２００７－１０－１５；修回日期：２００８－０６－２６基金项目：河北省百名优秀人才支持计划资助项目：河北省教育厅科研计划项目（项目编号２００６３３４）作者简介：侯淑萍（１９７３－），女，河北邯郸，讲师，博士研究生；主要研究方向为现代工程电磁场数值计算与磁技术及应用。
超磁致伸缩材料及其应用
超磁致伸缩材料及其应用李 梅,吕银芳,陈 平,李湄静,荆小平,张会峰(陕西金山电气集团有限公司 陕西咸阳 712021)摘 要:介绍了超磁致伸缩材料具有高磁致伸缩应变 ,能量转换效率高、工作频带宽、频率特性好;稳定性好、可靠性高,其磁致伸缩性能不随时间而变化,无过热失效等特点;开发出的T b x Dy (1-x )Fe y 合金,在较低的外磁场下就能达到超磁致伸缩效果,并对T bFe 2,Dy Fe 2,T b 0.3Dy 0.7Fe 2(T erfenol D )做了特性对比;超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面广阔的应用前景,超磁致伸缩材料的应用及研究对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。
关键词:超磁致伸缩;磁致伸缩;特性;外磁场中图分类号:T P 211+.53 文献标识码:B 文章编号:1004373X (2005)1811402Giant Magnetostrictive Material and Its ApplicationL I M ei ,L V Y infang ,CHEN Ping ,L I M eijing ,JIN G Xia oping ,ZHA NG Huifeng(Shaa nx i Ji nshan Electric Cro up Co .Ltd .,Xi a ny ang ,712021,China )Abstract :U ltr a m agneto st rict ive mater ial is discussed in this thesis.It possesses high ,hig h energ y ex cha ng e efficiency ,w idew or king frequency r ange ,etc .it ′s not chang ed by time of mag neto str ictio n T b x D y (1x )Fe y allo y has ult ra mag netostr iction effect at lo w mag net ic field.Character istics o f T bF e 2,D yF e 2,T b 0.3Dy 0.7F e 2(T erfenol D )ar e also be co mpar ed in this art icle.T he ultramagne-tostr iction has widely applicatio n in acoustic f requency and ultr asonic,it plays an impo rtant r ole in sonar ,ocean development and detec-tio n t echno lo gy.Keywords :ultr a m agneto st riction ;m agneto est riction ;char acterist ic ;o ut side ma gnetic field收稿日期:20050628 磁致伸缩现象早在19世纪中叶就被发现,利用镍、坡莫合金、铁氧体等磁性材料的磁致伸缩效应制作的音响变换振子(超声波发生器)等器件,也早有实际应用,但由于其磁致伸缩量小,大致为10-5,从而被以PZT (代表性的压电材料,由Pb (Zr ,T i )O 3构成的陶瓷材料)为代表的压电材料占据主导地位。
超磁致伸缩材料的特性及其发展应用
图1 磁体磁畴在外磁场作用下发生转动引起磁体尺寸发生变化示意图Fig.1 The magnetic domain under the effect of external magnetic fieldoccurrence of rotation and lead to change size magnets超磁致伸缩材料的特性及其发展应用摘要：本文介绍了超磁致伸缩材料独特的性能及其发展历程。
通过查阅大量的资料，阐述了超磁致伸缩材料在各个领域的应用及研究现状，并且对其今后的应用做了一些展望。
关键词：超磁致伸缩材料；特性；应用引言随着科学技术的发展，稀土功能材料在科学领域中的研究和应用愈发重要和广泛，特别是在国防领域中，因而稀土材料成为了各个国家的战略性资源。
我国近几年更是大力发展各种新型的稀土功能材料，这其中就包括了新型的稀土超磁致伸缩材料。
稀土超磁致伸缩材料的应用非常广泛，对发展有源减震、航天燃料喷射系统、快速阀门控制、纳米级致动器、新型声纳系统、机器人等高新技术有着重要的影响]1[。
1 超磁致伸缩材料1.1 产生磁致伸缩效应的机理在居里点温度以下时，铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积会发生微小的变化，这种现象称之为磁致伸缩效应，长度的变化是1842年由焦耳发现，亦统称为焦耳效应或者线性磁致伸缩]2[。
由于体积磁致伸缩量非常小，研究和应用都主要是线性磁致伸缩领域，所以一般的磁致伸缩也就是指线性的磁致伸缩。
产生磁致伸缩的机制是多方面的，有自发形变、场致形变、轨道耦合和自旋—轨道耦合相叠加、形状效应等原因，以下仅从场致形变的理论简单说明：在外磁场的作用下，多畴磁体的磁畴要发生畴壁移动和磁畴转动，结果导致磁体尺寸发生变化。
当磁场比饱和磁场s H 小时，样品的形变主要是长度的改变，体积几乎不变；当磁场大于饱和磁场s H 时，样品主要表现为体积磁致伸缩。
磁体磁畴在外磁场作用下发生转动引起磁体尺寸发生变化的示意图如图1所示]1[。
磁致伸缩材料的设计和应用
磁致伸缩材料的设计和应用材料与设计A.G Olabi AGrunwald(都柏林城市大学机械制造自动化学院)摘要：磁致伸缩效应是指材料在外加磁场条件下的变形。
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。
本文将展示磁致伸缩效应的研究方法现状和其应用，诸如：大型作动器响应、标准Terfenol-D 作动器、基于Terfenol-D的直线马达（蜗杆驱动）、用于声纳换能器的Terfenol-D、用于无线旋转马达的Terfenol-D、基于Terfenol-D的电动液压作动器、无线型直线微型马达、磁致伸缩薄膜的应用、基于磁致伸缩效应的无接触扭矩传感器和其他应用。
研究表明，磁致伸缩材料具有许多优良的特性，从而可以被用于许多先进设备。
关键词：磁致伸缩效应；作动器；传感器；Terfenol-D原因是相似的。
小磁畴的旋转被认为1. 前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。
对于两类材料来说，磁致伸缩现象的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。
稀土永磁材料行业发展现状及建议
稀土永磁材料行业发展现状及建议【摘要】本文介绍了稀土永磁材料行业的发展现状及建议。
在现状分析部分，探讨了行业市场需求、技术研发情况和存在的问题。
随后提出了发展建议，包括加强研发力量、拓展市场渠道和优化产业结构。
在展望了稀土永磁材料行业的未来发展趋势，并提出了发展策略和预测。
通过对行业现状进行深入剖析，本文旨在为稀土永磁材料行业的发展提供借鉴和启示。
【关键词】稀土永磁材料、行业发展、现状分析、市场需求、技术研发、存在问题、发展建议、未来发展趋势、发展策略、预测1. 引言1.1 稀土永磁材料行业概述稀土永磁材料是指以稀土元素为基础的永磁材料，具有较高的磁性能和磁化强度，广泛应用于电力、交通、通信、医疗等行业。
稀土永磁材料行业是一个新兴的高科技产业，具有巨大的发展潜力和市场规模。
稀土永磁材料以其高磁能积、高矫顽力、高抗氧化性和热稳定性等优点，成为现代工业生产中不可或缺的材料。
随着信息技术、汽车工业、新能源等领域的飞速发展，对稀土永磁材料的需求不断增加，市场潜力巨大。
稀土永磁材料行业在我国已经形成了完整的产业链，包括稀土矿开采、稀土永磁材料生产、应用产品制造等环节。
我国在稀土永磁材料行业方面有着丰富的资源优势和技术积累，是全球重要的稀土永磁材料生产国之一。
稀土永磁材料行业具有很强的市场竞争力和发展前景，在推动我国产业升级、提高技术水平、增强国际竞争力等方面发挥着重要作用。
2. 正文2.1 稀土永磁材料行业现状分析稀土永磁材料是指由稀土元素和过渡金属元素组成的一种特殊类别的永磁材料，具有高磁能积、高矫顽力、高抗腐蚀性等优点。
目前，稀土永磁材料行业正处于快速发展阶段，主要集中在中国、美国、日本等国家和地区。
在中国，稀土永磁材料行业起步较早，具有较强的产业基础和技术积累。
中国稀土永磁材料生产企业主要集中在内蒙古、江西、安徽等地。
公司规模从小型企业到大型企业不等，整体发展态势良好。
在全球范围内，稀土永磁材料行业也呈现出快速增长的趋势。
铽镝铁(TbDyFe)合金稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D介绍
铽镝铁（TbDyFe）合金稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D介绍天津华安旭阳国际贸易有限公司孙庆仑铽镝铁（TbDyFe）合金是一种新型的稀土超磁致伸缩材料，其室温下的磁致伸缩应变量（磁致伸缩系数）之大是以往任何场致伸缩材料所无法比拟的。
它比传统的镍钴（Ni-Co）等磁致伸缩合金的应变量大几十倍，是电致伸缩材料的五倍以上。
可高效地实现电能转换成机械能，传输出巨大的能量。
在10-5～10-6秒的极短时间内，精密、稳定地形成与磁场静、动态特性相匹配的无滞后型响应。
其响应稳定，速度敏捷，使铽镝铁合金作为驱动元件的机械系统反应滞后时间显著降低，这也是铽镝铁合金元件在交变磁场中快速产生伸缩应变响应的重要特性，从而使它在工业的科技开发中作为执行元件、控制元件、敏感元件得到了越来越广泛的应用稀土超磁致伸缩材料在声学领域的应用成果之一，是平板扬声器技术。
平板扬声器（Flat panel technology）具有优异的频响特性和音质，可以产生360度的声场，几乎穿越任何平面，开辟了设计各种新型扬声器的可能性。
把稀土超磁致伸缩材料元件用于微位移机构，可以快速、精确、稳定地控制复杂的位移运动。
在机器人准确的关节控制；机床部件的精密位移控制；成型加工机床的伺服刀架控制；机构传动误差和刀具磨损的补偿控制；电力分配系统中开关、继电器的强力触头控制；激光镜、望远镜、电子显微镜的精细聚焦等控制中，可显著地优化结构、改善性能、提高效率、降低损耗。
在用稀土超磁致伸缩材料驱动的线性马达、伺服阀、强力液压泵、精密输液泵（医用）、高速阀门、燃油喷射系统（汽车发动机）等装置中进行随机控制，有效地提高自动化程度，简化液压控制系统，达到高效节能，安全可靠。
利用铽镝铁合金元件的即时响应特性，可有效地控制机械系统的振动，达到消振、降噪之目的。
反之，利用稀土超磁致伸缩材料元件的可控特性，改善振动工艺过程（抛光、振动切削），提高产品质量和生产效率。
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电磁场与电磁场结课论文稀土超磁致伸缩材料应用及展望学院：计算机学院专业：通信工程学号：************姓名：***2017.11.30—2017.12.2稀土超磁致伸缩材料应用及展望李越洋（江苏科技大学，计算机学院，通信工程，152210704121）摘要：以Tb-Dy-Fe合金系为主，对稀土超磁致伸缩材料的基本性能作了简要的介绍，并与其他磁、电致伸缩材料进行了对比。
重点介绍了影响该系合金性能的主要因素和该类合金具体应用，并叙述了超磁致伸缩材料研究的最新进展及进一步研究的方向。
关键词：超磁致伸缩材料；稀土；应用；合金Application and Prospect of Rare Earth MagnetostrictiveMaterialLEE Yue-Yang（College of Computer Science,Telecommunication Engineering,152210704121,Jiangsu University Of ScienceAnd Technology）Abstract: The basic properties of rare earth giant magnetostrictive materials are mainly introduced by Tb-Dy-Fe alloy system, and compared with other magnetic and electrostrictive materials. The main factors influencing the properties of the alloys and the preparation methods of the alloys are introduced emphatically,and the latest research progress and further research direction of the giant magnetostrictive materials are described.Key words: Giant magnetostrictive material; Rare earth; Application; Alloy1 引言自从70年代美国海军防卫研究所的A.E.Clark博士发现了具有超磁致伸缩特性的某种稀土铁合金(Tb0.3 Dy0.7Fe2 后被命名为Terfenol-D ) 的居里温度高达600—700K以后，大大地激发了人们对这种材料的研究和应用。
特别是近10年来，相继召开3次稀土超磁致伸缩材料的基础研究和应用开发的国际会议。
目前，稀土超磁致伸缩材料的生产和应用被普遍认为将是新的经济生长点。
[1]磁致伸缩现象是在150多年前发现的（Joule JP Philosophical Magazine，1847，30，p.76）。
从那时起，既有基础科学的研究，又有诸如声音发生器，磁声变压器，光电系统执行器，无损控制和远程检测和测距等领域的应用。
微加工等现代技术和稀土类散装材料，磁性薄膜等材料的近期发展为磁致伸缩的研究和应用提供了新的机遇。
因此，发现巨磁致伸缩使得能够特别地生成超声波并且扩展非破坏性控制技术的使用；低温技术的发展给强迫磁致伸缩带来了新的认识，即与磁化反转和热活化过程有关的不可逆分量，这些过程涉及磁畴壁和磁通线的位移，即磁和超导器件的稳定性，以及到稀土磁体中的巨磁致伸缩（高达10 -2）。
作为磁各向异性的应变导数的磁致伸缩的新兴领域与此有关磁记录行业，特别是记录密度超过20 Gbits/in2。
随着器件的物理尺寸减小，表面积与体积之比增加，并且表面各向异性（磁致伸缩）效应可能在最终开关速度或本底噪声方面变得显着。
最近在高温超导体中发现了磁场诱导的巨磁致伸缩。
磁致伸缩应变可能限制这一重要材料组的技术应用。
2 超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料GMM(Giant Magnetostrictive Materials)为稀土元素铽Tb(Terbium)、镝Dy(Dysprosium)和铁(Fe)的合金化合物，其基本结构成分为Tb x Dy1-x Fe2（x=0.2—0.4）所以又称为稀土超磁致伸缩材料。
该材料首先由美国海军防卫研究所(NOL)于70年代初研制成功，故此材料又称为Terfenol-D。
磁致伸缩材料表现出应变由磁矩的方向时暴露于磁场。
一个新的类Ullakko等人发现的磁致伸缩材料（1995,1996）被称为磁性形状记忆（MSM）合金或铁磁形状记忆合金（FSMA）材料。
热弹性马氏体相MSM材料的转变产生了一个低的对称相与大磁晶相各向异性和高度可移动的双边界之间变种。
MSM材料表现出巨大的磁性场诱导应变（MFIS）的基础上晶体结构域的重排（双胞胎变种）。
在磁场中那些马氏体具有易磁化轴的变体由于双边界的运动，该领域开始成长并成为主导。
这个过程降低了磁化能量。
MSM 材料的MFIS是独特，因为它产生了相当高的一个大应变频率在外部没有变化温度。
因此，MSM材料是对于执行器和传感器可能是重要应用。
近几年来又研制成Terfenol-D 薄膜材料( Thin Film )，在微机械电子系统(Mems)和声表面波(SAW)以及微型泵、阀等器件方面展现出广阔的应用前景。
Terfenol-D材料的缺点是材质脆，机械加工困难，高频涡流损耗大，价格较贵等等。
但尽管如此Terfenol-D材料及其应用将成为高科技发展的新生长点，越来越受到人们的重视。
表1为超磁致伸缩材料Terfenol-D 和其他一些磁致伸缩材料的性能比较[2]。
图1 几种磁伸缩材料的性能Fig.1 Several kinds of magnetostrictive materials performance3 超磁致伸缩材料的应用超磁致伸缩材料由于其独特且优异的性能被广泛应用于各个行业，特别适用于军事领域，是国防战略性资源材料。
通过最近几十年的发展，以GMM材料为基础的工业产品就有上千种，以下仅从几大角度对GMM的应用进行分析。
3.1 声学应用领域（1）低频声纳探测系统在大功率低频声纳系统方面，国际上使用较多也较为先进的水声换能器是方环换能器[3]（如图2），是由美国的Gould公司与Rayfhlon公司共同研制生产出来的。
它最大的特点是在低频中仍具备大功率，因而声信号衰减小，传输距离远，而且体积小，耐高压。
在许多发达国家的海军装备中，其声纳系统都是由这种先进的GMM器材所构建。
（2）超声应用系统图2 超磁致方环换能器Fig.2 Giant magnetostrictive ring of transducer图3 超磁致伸缩大功率超声换能器Fig.3 Giant magnetostrictive high power ultrasonic transducer施加应力超磁致伸缩棒空气隙永磁铁轭铁图4 超磁致伸缩力传感器Fig.4 Giant magnetostrictive forcesensors图5 超磁致伸缩轴向扭矩传感器Fig.5 Giant magnetostrictive axial torque sensors由GMM制成的大功率超声换能器，不仅广泛应用于破碎、焊接、医疗器械、分离、清洗这些领域，还可使化工过程的化学反应加速、农作物大幅度增产等。
一般的大功率磁致伸缩超声换能器结构如图3所示，它的基本工作原理为：线圈中通入交流电，产生交变驱动磁场，该磁场使超磁致伸缩棒频繁伸长、缩短，随着伸缩棒的伸长及缩短，输出杆产生超声振动，从而传递出大功率声能[4]。
3.2力传感领域由于稀土超磁致伸缩材料存在一个重要的物理效应—磁致伸缩逆效应，人们就利用这一物理效应制备出了高灵敏力传感器[5]（如图4）。
这种力传感器比压电陶瓷传感器的性能更突出，具有体积轻巧、抗干扰能力强、过载能力好、工艺简单、长寿命等优点，不仅可以用于静态力测量，还适用于动态力的测量，普遍适合在应用在重工业、化学化工、自动化控制系统等领域。
日本的M.Sahashi等发明的接触型扭矩传感器，其灵敏度比传统的金属电阻薄膜扭矩应变计要高10倍[6]，日本Kyushn大学研制的非接触型扭矩传感器，可以测量瞬间扭。
最近由我国研制的一种新型轴向扭矩传感器如图5所示，它具有非接触检测、高灵敏度、耐用及小型化等特点，适用于电动助力转向器。
图6典型的超磁致伸缩微位移执行器 Fig.6 Classic magnetostrictive micro -displacement actuator 1.外套 2.出水管 3.弹簧 4.输出轴5.导向块 6.导磁体 7.超磁致伸缩棒 8.水箱 9.永磁体 10.导向块 11.进水管 12.导磁体 13.螺钉 14.底盖 15.传感器 16.线圈 17.骨架 18.电阻应变片图7 超磁致伸缩微位移执行器 Fig.7 Magnetostrictive small of displacement actuator 3.3 磁场探测领域利用磁致伸缩材料的正效应，可以制成各种各样的测量磁场强度的磁强计。
最早的GMM 磁强计是由美国衣阿华大学的R.Chung 等人在1991年研发出来的，其传感器的灵敏度达到m μ71029.8-⨯，精度达到了。
现今在磁场探测领域对GMM 的应用研究已经转变到了磁—光类型的传感器的m A m /101606⋅⨯-μ研究，武汉理工大学已经开发出磁场光纤传感器原形，成功地将磁—电传感类型升级为磁—光传感类型，其性能指标动态范围为：Gs Gs 2210~10-，灵敏度为：Gs Gs 4310~10--，可用于自导武器引信等尖端领域[7]。
新型的磁—光类型传感器比传统的磁—电类型传感器灵敏度更大，广泛适用于地质探矿、生物工程、军事制导等领域。
3.4 精密控制领域由于GMM 具有高响应速度、磁致伸缩灵敏、输出应力大等主要特征，现今普遍用于航天定位、精密油吸、微机器人等精密控制领域。
可以说，到目前为止，GMM 在此领域的应用和人们对它的研究是最广泛和最为前沿的，用GMM 制备的精密控制器件包括了薄膜型执行器、纳米级致动器、微型泵、高速开关等等。
国内外研究超磁致伸缩执行器的机构和公司有很多，其中美国ETREMA Products INC 公司开发生产的超磁致伸缩执行器性能比较突出[8]。
一般典型的超磁致伸缩微位移执行器结构如图6所示，但这种执行器涡流比较大，温度对性能影响较大。
目前由我国大连理工大学研制的新型超磁致伸缩微位移执行器如图7所示[9]，它通过将GMM 进行叠片放置的方式减少涡流损耗，而且通过冷却水来消除温度对GMM 性能的影响，其拉伸强度比普通的超磁致伸缩微位移执行器更大，性能指标已经达到了国际领先的水平[9]。