第8章超磁致伸缩材料及其智能化应用-石雅莹
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
第8章 超磁致伸缩材料及其智wk.baidu.com化应用
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
磁致伸缩材料在磁场作用下具有较强的磁致伸缩效 应，它们在磁场作用下，尺寸或体积可以改变。可作为 智能驱动器材料，也可作为应力或应变传感器材料。 近些年来开发的稀土超磁致伸缩材料(如TerfenolD(Tb0.27Dy0.73Fe2)的磁致伸缩效应比一般磁致伸缩合金高 一个数量级；比电致伸缩材料具有更大的应变和更宽的 适用温度范围。用于微步进旋转马达能精确地微移动， 且关闭电源时有制动能力。在机器人上也有重要应用。 与形状记忆合金、压电陶瓷相比，这类材料的特点 是对电力要求不大、位移量中等、响应速度慢、滞性较 大。
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
8.2.3稀土超磁致伸缩材料制备和组织结构
• Terfenol-D材料的性能与其制备工艺、成分和微观结 构密切相关。不同制备工艺得到的材料的性能可以相差甚 远。
0.27
• 超磁致伸缩材料Terfenol-D主要有两种成分，即 Tb
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
• 3）非晶RFe2合金的磁致伸缩
• 与大的磁晶各向异性一样，在 非晶态合金中也发现有大的磁致伸 缩。Forester等报道了非晶
Tbx Fe1 x (0.25 x 0.45)
Tb0.3 Dy0.7 Fe2 • 的磁致伸缩。非晶 TbFe2 ， 和DyFe2的室温磁致伸缩如图所示。 • TbFe2具有大的未饱和的磁致伸 缩，而DyFe2具有接近于零的自发 磁致伸缩。这种差异可用居里温度 Tc的不同来解释。非晶TbFe2的Tc> 室温；而非晶DyFe2的Tc<室温。与 晶态DyFe2（ d / dT 0 ）不同，非晶 DyFe2的磁致伸缩系数随温度的下 降而迅速增加。
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
立方晶系和六方晶系对称的磁致伸缩模式
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
8.1.4磁体产生磁致伸缩的机理
• 产生磁致伸缩的原因 • (1) 自发磁致伸缩 ( 或称自发形变) 。磁体由高温冷却， 通过居里温度(TC )变为铁磁(亚铁磁)状态，自发磁化形 成磁畴，伴随有体积和形状的改变。 • (2) 磁场磁化过程的磁致伸缩 ( 又称场致形变) 。在磁化 未饱和状态之前，主要是磁体长度的变化，即线磁致 伸缩，体积几乎不变；饱和磁化以后主要是体积的变 化，即体积磁致伸缩。体积磁致伸缩是交换作用引起 的。线磁致伸缩与磁化过程有关。 • (3)形状效应，是由于退磁能引起的。这一效应比前两 者小。
其他表征磁致伸缩材料性能的参数 饱和磁化强度Ms 磁晶各向异性常数K1 居里温度Tc。
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
8.2超磁致伸缩材料
超磁致伸缩材料指具有大的饱和磁致伸缩系数的材料。其λs一般大于30×10-6。 高磁致伸缩金属与合金大体分为三类。 1)传统的金属与合金 这类金属与合金包括纯镍、镍钴合金（95%Ni-Co)、铁镍合金（45%Ni-Fe）、 铁铝合金（13%Al-Fe）、铁钴合金（65%Co-Fe）等。这类金属与合金的饱和磁 致伸缩系数 s 为（±30~70)×10-6,机电耦合系数k为0.15~0.5，电阻率 Þ 较低。 2)非晶态合金 这类合金包括 Fe80B15Si5 、 Fe66Co12B14Si8(% 原子）等，它们的 s 约为 30×10-6~45×10-6，k值高达0.68~0.82。 3)稀土-铁系金属间化合物 这类化合物包括TbFe2、Tb0.3Dy0.7Fe2等，有极高的 s ，前者为1753×10-6，后者为 1068×10-6。它们的k值约为0.60。 • 重点介绍作为新一代高磁致伸缩材料的稀土-铁系化合物超磁致伸缩材料(以下 简称稀土超磁致伸缩材料)。
• 4)非晶RFe2化合物的磁晶各向异性
成分为RFe2的溅射非晶态合金在结构和磁性方面与晶态合金不同。其居 里温度在室温以下直到400 K。这些合金最突出的特点是在低温时矫顽力大。 这是由于磁晶各向异性大和没有晶体结构两个因素共同造成的。在4K时，由 非晶TbFe2计算的最大磁能积为2.35EA／m，这与钐钴合金测得的最大值差不 多。虽然内禀磁晶各向异性可以持续到室温，但热能太高以至于无法阻止磁 化反转。因此，室温下矫顽力只有7.96 kA／m。
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
8.1.2磁致伸缩系数
◆磁致伸缩效应的大小用磁致伸缩系数表示。 线磁致伸缩系数， 以 表示。 l / l S11 S22 S33 / 体积磁致伸缩系数，以 表示。 ◆沿不同方向测量出的不同。有纵向磁致伸缩系数和横 向磁致伸缩系数 ◆饱和磁致伸缩系数 s 可正、可负 ●铁磁材料的磁致伸缩系数 随磁场的变化见图
• 2)赝二元RFe2化合物的磁晶各向异性
将磁晶各向异性常数反号的两种RFe2材料组合起来形成赝二元化合物， 其磁晶各向异性常数可大大降低，从而降低饱和磁化所需的外磁场。 大的磁晶各向异性可持续到室温。
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• 3)二元RFe2化合物和赝二元RFe2化合物 的易磁化方向
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8.1.6其他表征磁致伸缩材料性能的参数
机电耦合系数
• 机电耦合系数是磁致伸缩材料一个重要的性能参数 ， 通过测量含 磁致伸缩材料线圈的复数阻抗，一般就可得到机电耦合系数k。可 以定义一个与几何形状无关的材料的机电耦合系数k33。对于圆截 面的环状样品， k33 = k；对于细长棒状样品 k33= （ / 8） /k
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
8.1.5稀土离子超磁致伸缩的起源 • 在稀土金属和合金或金属间化合物中，超磁致伸缩主
要起源于稀土离子中局域的4f电子。由于4f电子受外层 电子的屏蔽，所以L-S耦合作用比稀土离子和晶格场的 作用要大一两个数量级，和 3d 过渡族金属不同，稀土 离子的轨道角动量并不冻结。 • 稀土离子的4f轨道是强烈各向异性的，在空间某些 方向伸展得很远，在另外一些方向又收缩得很近。当 自发磁化时，由于L-S耦合及晶格场的作用，使4f电子 云在某些特定方向上能量达到最低，这就是易磁化方 向。大量稀土离子的“刚性”4f轨道就这样被“锁定 ”在某几个特殊的方向上，引起晶格沿着这几个方向 有大的畸变，当施加外磁场时就产生了大的磁致伸缩 。
●磁致伸缩也有磁滞现象。当磁场由正到负循环变化一周时，可 得到一条磁致伸缩系数的回线。
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
8.1.3磁致伸缩的唯象理论
• 8.1.3.1立方晶系磁致伸缩系数的简单表达式
• 立方晶体(如Ni和Fe)的磁致伸缩系数：
2 2 s ( ) s 100 ( x2 x2 y y z2 z2 )
dl 3 1 l 2 3 3111 ( x y x y y z y z z x z x )
• 几种铁磁体的磁致伸缩系数
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8.1.3.2立方晶系和六方晶系磁致伸缩系数表达式 立方晶系
dl 3 1 2 2 2 2 2 2 s立方 ( ) 100 （ x x y y z z ) l 2 3 3111 ( x y x y z y z y x z x z )
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
为三种材料性能特点比较表
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
8.1磁致伸缩效应及其表征
• 8.1.1磁致伸缩效应
• 在磁场中磁化状态改变时，铁磁和亚铁磁材料引起尺寸或体积微 小的变化，称为磁致伸缩。 • 磁致伸缩可分为两种。 • 1)线磁致伸缩 • 当磁体磁化时，伴有晶格的自发变形，即沿磁化方向伸长或缩短 ，称为线磁致伸缩。变化的数量级为10-6-10-5。发生线磁致伸缩时 ，体积几乎不变。 • 2)体积磁致伸缩 • 磁体磁化时体积发生膨胀或收缩的现象。饱和磁化以后主要 是体积变化产生体积磁致伸缩。 • 一般磁致伸缩均指线磁致伸缩。
二元RFe2化合物TbFe2等在所有温度下都只有一个易磁化方向。 RFe2化 合物中，除少数几个易磁化方向为[100]外，大部分易磁化方向都是[111]。 ' 赝二元化合物 R1 x Rx Fe2 ，随着成分x的增加，易磁化方向发生从[111] 到[100]的转变，并随着温度的降低发生转变的点x变小。以适当的两种RFe2 化合物配合成的赝二元RFe2化合物可做到使材料具有各向异性补偿和自旋再 取向。
• •
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8.2.2稀土超磁致伸缩材料的性能
•8.2.2.1稀土.铁系化合物RFe2的晶体结构
• RFe2 是具有立方 MgCu2 结构的 Laves 相 化合物。该结构由稀土原子和铁原子 的点阵穿插而成，铁原子位于一系列 四面体的点，稀土原子则采取与硅或 锗(金刚石立方结构)相同的立方排列方 式，每个稀土原子有4个配位的等距离 的稀土原子和 12 个与其距离略近的铁 原子。
六方晶系
,0 2 s六方 （ ) 1 ,0 ( x2 y2 ) 2 z 1 ,2 ( z2 )( x2 y2 )
dl l
1 3
1 ,2 2 ( z2 ) z2 3 1 2 2 ,2 [ ( x y )( x2 y2 ) 2 x y x y ] 2 2 ,2 ( z y z y x z x z )
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
8.2.1稀土超磁致伸缩材料的发展历史
• 60年代初发现稀土元素(R)具有许多独特的磁性。例如重金属的轨道角动量和自旋 角动量都大，而且平行排列，故每个原子的磁矩为9μ B~10μ B，而镍和铁只有0.6μ B 和2.2μ B。重稀土还有大的磁晶各向异性。实用的超磁致伸缩材料应具有的特点： ①含有大量的稀土离子（获得大磁致伸缩值的首要条件）；②稀土离子参与的交 换作用要远大于热运动能，以保证有高的居里温度；③材料应具有不止一个易磁 化方向，这样技术磁化时畴壁移动过程可以对磁致伸缩值有所贡献，并且材料要 有小的磁晶各向异性，使得达到饱和磁化所需的外磁场不会很高。 70年代初开始研究在室温下工作的稀土超磁致伸缩材料。用直接化学合成的方法 使超磁致伸缩的稀土铽和镝与磁性过渡族金属镍、钴及铁化合并用快速溅射制成 非晶态合金。磁晶各向异性在磁致伸缩材料中起着重要作用。 80年代中期开始有商品Terfenol-D单晶棒出售。进一步的研究工作：①解决[111] 取向的单晶的生长问题，去掉孪晶界；②改善材料的本征脆性，提高力学性能； ③通过掺入其他元素，进一步降低磁晶各向矛性；④在对材料性能要求不很高的 场合，通过其他工艺手段制备超磁致伸缩材料，以降低成本，改善机械加工性能。
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8.2.2.2稀土-铁系化合物的磁晶各向异性 • 1)二元RFe2化合物的磁晶各向异性
单晶体的磁晶各向异性最大。在低温时，六方稀土元素具有已知最大 的磁晶各向异性。居里温度高的化合物和具有室温已知的最大的磁晶各向异 性。立方RFe2化合物的磁晶各向异性则较小。但是，最近的测量表明，立方 RFe2具有立方晶体中已知的最大的磁晶各向异性。根据稀土-铁交换作用的 强弱，有时这种
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8.2.2.3稀土-铁系化台物的磁致伸缩
1)二元RFe2化合物的磁致伸缩及其与温度的关系 (A)二元RFe2化合物的磁致伸缩 (B)二元RFe2化合物的磁致伸缩与温度的关系 (C)各向异性磁致伸缩原子模型
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• 2)赝二元RFe2化合物的磁致伸缩
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磁致伸缩材料在磁场作用下具有较强的磁致伸缩效 应，它们在磁场作用下，尺寸或体积可以改变。可作为 智能驱动器材料，也可作为应力或应变传感器材料。 近些年来开发的稀土超磁致伸缩材料(如TerfenolD(Tb0.27Dy0.73Fe2)的磁致伸缩效应比一般磁致伸缩合金高 一个数量级；比电致伸缩材料具有更大的应变和更宽的 适用温度范围。用于微步进旋转马达能精确地微移动， 且关闭电源时有制动能力。在机器人上也有重要应用。 与形状记忆合金、压电陶瓷相比，这类材料的特点 是对电力要求不大、位移量中等、响应速度慢、滞性较 大。
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8.2.3稀土超磁致伸缩材料制备和组织结构
• Terfenol-D材料的性能与其制备工艺、成分和微观结 构密切相关。不同制备工艺得到的材料的性能可以相差甚 远。
0.27
• 超磁致伸缩材料Terfenol-D主要有两种成分，即 Tb
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• 3）非晶RFe2合金的磁致伸缩
• 与大的磁晶各向异性一样，在 非晶态合金中也发现有大的磁致伸 缩。Forester等报道了非晶
Tbx Fe1 x (0.25 x 0.45)
Tb0.3 Dy0.7 Fe2 • 的磁致伸缩。非晶 TbFe2 ， 和DyFe2的室温磁致伸缩如图所示。 • TbFe2具有大的未饱和的磁致伸 缩，而DyFe2具有接近于零的自发 磁致伸缩。这种差异可用居里温度 Tc的不同来解释。非晶TbFe2的Tc> 室温；而非晶DyFe2的Tc<室温。与 晶态DyFe2（ d / dT 0 ）不同，非晶 DyFe2的磁致伸缩系数随温度的下 降而迅速增加。
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立方晶系和六方晶系对称的磁致伸缩模式
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
8.1.4磁体产生磁致伸缩的机理
• 产生磁致伸缩的原因 • (1) 自发磁致伸缩 ( 或称自发形变) 。磁体由高温冷却， 通过居里温度(TC )变为铁磁(亚铁磁)状态，自发磁化形 成磁畴，伴随有体积和形状的改变。 • (2) 磁场磁化过程的磁致伸缩 ( 又称场致形变) 。在磁化 未饱和状态之前，主要是磁体长度的变化，即线磁致 伸缩，体积几乎不变；饱和磁化以后主要是体积的变 化，即体积磁致伸缩。体积磁致伸缩是交换作用引起 的。线磁致伸缩与磁化过程有关。 • (3)形状效应，是由于退磁能引起的。这一效应比前两 者小。
其他表征磁致伸缩材料性能的参数 饱和磁化强度Ms 磁晶各向异性常数K1 居里温度Tc。
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
8.2超磁致伸缩材料
超磁致伸缩材料指具有大的饱和磁致伸缩系数的材料。其λs一般大于30×10-6。 高磁致伸缩金属与合金大体分为三类。 1)传统的金属与合金 这类金属与合金包括纯镍、镍钴合金（95%Ni-Co)、铁镍合金（45%Ni-Fe）、 铁铝合金（13%Al-Fe）、铁钴合金（65%Co-Fe）等。这类金属与合金的饱和磁 致伸缩系数 s 为（±30~70)×10-6,机电耦合系数k为0.15~0.5，电阻率 Þ 较低。 2)非晶态合金 这类合金包括 Fe80B15Si5 、 Fe66Co12B14Si8(% 原子）等，它们的 s 约为 30×10-6~45×10-6，k值高达0.68~0.82。 3)稀土-铁系金属间化合物 这类化合物包括TbFe2、Tb0.3Dy0.7Fe2等，有极高的 s ，前者为1753×10-6，后者为 1068×10-6。它们的k值约为0.60。 • 重点介绍作为新一代高磁致伸缩材料的稀土-铁系化合物超磁致伸缩材料(以下 简称稀土超磁致伸缩材料)。
• 4)非晶RFe2化合物的磁晶各向异性
成分为RFe2的溅射非晶态合金在结构和磁性方面与晶态合金不同。其居 里温度在室温以下直到400 K。这些合金最突出的特点是在低温时矫顽力大。 这是由于磁晶各向异性大和没有晶体结构两个因素共同造成的。在4K时，由 非晶TbFe2计算的最大磁能积为2.35EA／m，这与钐钴合金测得的最大值差不 多。虽然内禀磁晶各向异性可以持续到室温，但热能太高以至于无法阻止磁 化反转。因此，室温下矫顽力只有7.96 kA／m。
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8.1.2磁致伸缩系数
◆磁致伸缩效应的大小用磁致伸缩系数表示。 线磁致伸缩系数， 以 表示。 l / l S11 S22 S33 / 体积磁致伸缩系数，以 表示。 ◆沿不同方向测量出的不同。有纵向磁致伸缩系数和横 向磁致伸缩系数 ◆饱和磁致伸缩系数 s 可正、可负 ●铁磁材料的磁致伸缩系数 随磁场的变化见图
• 2)赝二元RFe2化合物的磁晶各向异性
将磁晶各向异性常数反号的两种RFe2材料组合起来形成赝二元化合物， 其磁晶各向异性常数可大大降低，从而降低饱和磁化所需的外磁场。 大的磁晶各向异性可持续到室温。
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• 3)二元RFe2化合物和赝二元RFe2化合物 的易磁化方向
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8.1.6其他表征磁致伸缩材料性能的参数
机电耦合系数
• 机电耦合系数是磁致伸缩材料一个重要的性能参数 ， 通过测量含 磁致伸缩材料线圈的复数阻抗，一般就可得到机电耦合系数k。可 以定义一个与几何形状无关的材料的机电耦合系数k33。对于圆截 面的环状样品， k33 = k；对于细长棒状样品 k33= （ / 8） /k
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8.1.5稀土离子超磁致伸缩的起源 • 在稀土金属和合金或金属间化合物中，超磁致伸缩主
要起源于稀土离子中局域的4f电子。由于4f电子受外层 电子的屏蔽，所以L-S耦合作用比稀土离子和晶格场的 作用要大一两个数量级，和 3d 过渡族金属不同，稀土 离子的轨道角动量并不冻结。 • 稀土离子的4f轨道是强烈各向异性的，在空间某些 方向伸展得很远，在另外一些方向又收缩得很近。当 自发磁化时，由于L-S耦合及晶格场的作用，使4f电子 云在某些特定方向上能量达到最低，这就是易磁化方 向。大量稀土离子的“刚性”4f轨道就这样被“锁定 ”在某几个特殊的方向上，引起晶格沿着这几个方向 有大的畸变，当施加外磁场时就产生了大的磁致伸缩 。
●磁致伸缩也有磁滞现象。当磁场由正到负循环变化一周时，可 得到一条磁致伸缩系数的回线。
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8.1.3磁致伸缩的唯象理论
• 8.1.3.1立方晶系磁致伸缩系数的简单表达式
• 立方晶体(如Ni和Fe)的磁致伸缩系数：
2 2 s ( ) s 100 ( x2 x2 y y z2 z2 )
dl 3 1 l 2 3 3111 ( x y x y y z y z z x z x )
• 几种铁磁体的磁致伸缩系数
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8.1.3.2立方晶系和六方晶系磁致伸缩系数表达式 立方晶系
dl 3 1 2 2 2 2 2 2 s立方 ( ) 100 （ x x y y z z ) l 2 3 3111 ( x y x y z y z y x z x z )
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
为三种材料性能特点比较表
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8.1磁致伸缩效应及其表征
• 8.1.1磁致伸缩效应
• 在磁场中磁化状态改变时，铁磁和亚铁磁材料引起尺寸或体积微 小的变化，称为磁致伸缩。 • 磁致伸缩可分为两种。 • 1)线磁致伸缩 • 当磁体磁化时，伴有晶格的自发变形，即沿磁化方向伸长或缩短 ，称为线磁致伸缩。变化的数量级为10-6-10-5。发生线磁致伸缩时 ，体积几乎不变。 • 2)体积磁致伸缩 • 磁体磁化时体积发生膨胀或收缩的现象。饱和磁化以后主要 是体积变化产生体积磁致伸缩。 • 一般磁致伸缩均指线磁致伸缩。
二元RFe2化合物TbFe2等在所有温度下都只有一个易磁化方向。 RFe2化 合物中，除少数几个易磁化方向为[100]外，大部分易磁化方向都是[111]。 ' 赝二元化合物 R1 x Rx Fe2 ，随着成分x的增加，易磁化方向发生从[111] 到[100]的转变，并随着温度的降低发生转变的点x变小。以适当的两种RFe2 化合物配合成的赝二元RFe2化合物可做到使材料具有各向异性补偿和自旋再 取向。
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8.2.2稀土超磁致伸缩材料的性能
•8.2.2.1稀土.铁系化合物RFe2的晶体结构
• RFe2 是具有立方 MgCu2 结构的 Laves 相 化合物。该结构由稀土原子和铁原子 的点阵穿插而成，铁原子位于一系列 四面体的点，稀土原子则采取与硅或 锗(金刚石立方结构)相同的立方排列方 式，每个稀土原子有4个配位的等距离 的稀土原子和 12 个与其距离略近的铁 原子。
六方晶系
,0 2 s六方 （ ) 1 ,0 ( x2 y2 ) 2 z 1 ,2 ( z2 )( x2 y2 )
dl l
1 3
1 ,2 2 ( z2 ) z2 3 1 2 2 ,2 [ ( x y )( x2 y2 ) 2 x y x y ] 2 2 ,2 ( z y z y x z x z )
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8.2.1稀土超磁致伸缩材料的发展历史
• 60年代初发现稀土元素(R)具有许多独特的磁性。例如重金属的轨道角动量和自旋 角动量都大，而且平行排列，故每个原子的磁矩为9μ B~10μ B，而镍和铁只有0.6μ B 和2.2μ B。重稀土还有大的磁晶各向异性。实用的超磁致伸缩材料应具有的特点： ①含有大量的稀土离子（获得大磁致伸缩值的首要条件）；②稀土离子参与的交 换作用要远大于热运动能，以保证有高的居里温度；③材料应具有不止一个易磁 化方向，这样技术磁化时畴壁移动过程可以对磁致伸缩值有所贡献，并且材料要 有小的磁晶各向异性，使得达到饱和磁化所需的外磁场不会很高。 70年代初开始研究在室温下工作的稀土超磁致伸缩材料。用直接化学合成的方法 使超磁致伸缩的稀土铽和镝与磁性过渡族金属镍、钴及铁化合并用快速溅射制成 非晶态合金。磁晶各向异性在磁致伸缩材料中起着重要作用。 80年代中期开始有商品Terfenol-D单晶棒出售。进一步的研究工作：①解决[111] 取向的单晶的生长问题，去掉孪晶界；②改善材料的本征脆性，提高力学性能； ③通过掺入其他元素，进一步降低磁晶各向矛性；④在对材料性能要求不很高的 场合，通过其他工艺手段制备超磁致伸缩材料，以降低成本，改善机械加工性能。
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8.2.2.2稀土-铁系化合物的磁晶各向异性 • 1)二元RFe2化合物的磁晶各向异性
单晶体的磁晶各向异性最大。在低温时，六方稀土元素具有已知最大 的磁晶各向异性。居里温度高的化合物和具有室温已知的最大的磁晶各向异 性。立方RFe2化合物的磁晶各向异性则较小。但是，最近的测量表明，立方 RFe2具有立方晶体中已知的最大的磁晶各向异性。根据稀土-铁交换作用的 强弱，有时这种
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8.2.2.3稀土-铁系化台物的磁致伸缩
1)二元RFe2化合物的磁致伸缩及其与温度的关系 (A)二元RFe2化合物的磁致伸缩 (B)二元RFe2化合物的磁致伸缩与温度的关系 (C)各向异性磁致伸缩原子模型
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
• 2)赝二元RFe2化合物的磁致伸缩