智能材料-磁致伸缩材料

1智 能 材 料智 能 材 料Intelligent Materials主讲： 李 明 田主讲： 李 明 田 Email: limt63636616@ Tel: 13890059071/622182第六章第六章第六章第六章磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁致伸缩材料MagnetostrictiveMagnetostrictive MaterialsMaterials3 1、磁致伸缩效应、磁致伸缩效应• 1842年，年，焦尔焦尔发现：当磁性体（如金属发现：当磁性体（如金属Fe、、Ni 等）的磁化状态改变时，其外型尺寸或体积会发生微小的变化，这就是磁致伸缩效应，又称焦尔效应等）的磁化状态改变时，其外型尺寸或体积会发生微小的变化，这就是磁致伸缩效应，又称焦尔效应磁性材料在外磁场作用下，产生伸长或缩短的现象磁性材料在外磁场作用下，产生伸长或缩短的现象Fe 随磁场强度 的增大而伸长随磁场强度 的增大而伸长Ni 随磁场强度 的增大而缩短随磁场强度 的增大而缩短逆效应：逆效应：压磁效应压磁效应42、磁致收缩的模式、磁致收缩的模式磁致伸缩：磁致伸缩： 线磁致伸缩和体积磁致伸缩当磁性体被磁化时，线磁致伸缩和体积磁致伸缩当磁性体被磁化时，沿磁化方向伸长或缩短，称为线磁致伸缩沿磁化方向伸长或缩短，称为线磁致伸缩。

发生线磁致伸缩时，磁性体的 发生线磁致伸缩时，磁性体的体积几乎不变体积几乎不变 当磁化 当磁化未达到饱和未达到饱和时，主要是产生时，主要是产生线磁致伸缩线磁致伸缩，磁致伸缩一般均指线磁致伸缩 磁性体磁化状态改变时，体积发生，磁致伸缩一般均指线磁致伸缩 磁性体磁化状态改变时，体积发生膨胀或收缩膨胀或收缩的现象则称为体积磁致伸缩 磁性体的现象则称为体积磁致伸缩 磁性体磁化饱和以后磁化饱和以后主要产生主要产生体积磁致伸缩体积磁致伸缩56 3、磁致伸缩材料、磁致伸缩材料磁致伸缩材料：具有磁致伸缩效应的磁磁致伸缩材料：具有磁致伸缩效应的磁(电电) —机 械能转换材料机 械能转换材料λ为λ为磁致伸缩系数磁致伸缩系数l为材料原来的长度，Δ为材料原来的长度，Δl为在磁场为在磁场H作用下的长度改变量常用磁致伸缩材料室温下的饱和磁致伸缩系数为作用下的长度改变量常用磁致伸缩材料室温下的饱和磁致伸缩系数为10-8~10-6llsλ超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料λλs > 3××10-57常用磁致伸缩材料常用磁致伸缩材料镍镍铁镍铁镍铁铝铁铝铁钴钒铁钴钒铁氧体铁氧体8（（1））金属磁致伸缩材料金属磁致伸缩材料。

饱和磁化强度较高，力学性能好，可承受较高的功率，但饱和磁化强度较高，力学性能好，可承受较高的功率，但电阻率低电阻率低，，不适用于高频段不适用于高频段常用的有铁基合金、镍基合金常用的有铁基合金、镍基合金2））铁氧体磁致伸缩材料铁氧体磁致伸缩材料饱和磁化强度较低，材料的气隙率影响其力学性能，故不能承受较高功率，但饱和磁化强度较低，材料的气隙率影响其力学性能，故不能承受较高功率，但电阻率高，可用于高频段电阻率高，可用于高频段3））巨磁致伸缩材料巨磁致伸缩材料磁致伸缩系数（材料在磁场力作用下产生的伸缩量与材料原长度之比）远高于常规材料，耦合系数也高；磁致伸缩系数（材料在磁场力作用下产生的伸缩量与材料原长度之比）远高于常规材料，耦合系数也高；缺点是所需磁化场强高缺点是所需磁化场强高920世纪世纪40年代，主要为镍年代，主要为镍(Ni)，钴，钴(Co)和以镍为基的材料但是它们的和以镍为基的材料但是它们的λλs只有只有10-6 ~ 10-5数量级4、磁致伸缩材料的发展、磁致伸缩材料的发展60年代年代稀土纯金属稀土纯金属：：：λ：λs 比传统磁致伸缩材料比传统磁致伸缩材料比传统磁致伸缩材料比传统磁致伸缩材料( (镍等镍等镍等镍等) )大大大大100100- -10001000倍，但倍，但倍，但倍，但居里温度低居里温度低。

70年代初年代初稀土合金与稀土合金与稀土合金与稀土合金与FeFe、、、、CoCo、、、、NiNi合金化合金化合金化合金化——REFe2 立方立方立方立方晶相；晶相；晶相；晶相；室温超室温超λλs ，但需强磁场，但需强磁场10-3 ~ 10-2数量级数量级1971年，美国海军武器中心的年，美国海军武器中心的Clark等发现了具有立方相结构的等发现了具有立方相结构的REFe2型二元稀土化合物型二元稀土化合物，其室温下的，其室温下的λλs，，达达2600××10-61950年，年，Alfer Fe-13%Al合金合金，，λλs = 10-410Tb0. 27 Dy0.73 Fe1.9380年代中期年代中期开始商品化的开始商品化的GMM美国美国Etrema 公司公司Terfenol-D品牌品牌；；瑞典瑞典FeredynAB公司的公司的Magmek8620世纪世纪90年代以来，年代以来，超磁致伸缩薄膜超磁致伸缩薄膜的制备及磁致伸缩性能的应用的制备及磁致伸缩性能的应用瑞典、日本、英国瑞典、日本、英国11我国：始于上世纪我国：始于上世纪90年代年代主要研究单位：北京有色金属研究总院、北京钢铁研究总院、中科院物理所、中科院金属所、包头稀土院、北京科技大学主要研究单位：北京有色金属研究总院、北京钢铁研究总院、中科院物理所、中科院金属所、包头稀土院、北京科技大学理论研究理论研究：达到或接近国外先进水平；生产、应用：仍有明显差距。

达到或接近国外先进水平；生产、应用：仍有明显差距国内生产国内生产REGMsM晶体的公司：晶体的公司：常州市武进稀土智能材料股份有限公司、甘肃兰州天星公司，西安海晶公司以及营口新城和广州的公司常州市武进稀土智能材料股份有限公司、甘肃兰州天星公司，西安海晶公司以及营口新城和广州的公司124、磁致伸缩材料的特性、磁致伸缩材料的特性Joule效应：效应：磁性体被外加磁场磁化时，其长度 发生变化磁性体被外加磁场磁化时，其长度 发生变化---磁致伸缩制动器磁致伸缩制动器Villari效应：效应：在一定磁场中，给磁性体施加外力 作用，其磁化强度发生变化，即在一定磁场中，给磁性体施加外力 作用，其磁化强度发生变化，即逆 磁致伸缩现象逆 磁致伸缩现象---磁致伸缩传感器磁致伸缩传感器ΔΔE 效 应：效 应：随磁场变化，杨氏模量也发生变化随磁场变化，杨氏模量也发生变化压磁效应压磁效应杨氏模量通常表示材料硬度值，定义为材料中应力改变和应变改变的比值对于杨氏模量通常表示材料硬度值，定义为材料中应力改变和应变改变的比值对于传统材料，其数值是恒定的传统材料，其数值是恒定的，并反映出材料的物理特性但对于能够将能量从一种状态转换为另一种状态的超磁致伸缩材料等，并反映出材料的物理特性。

但对于能够将能量从一种状态转换为另一种状态的超磁致伸缩材料等主动产生应变的材料主动产生应变的材料，，其应变和应力关系相互影响其应变和应力关系相互影响，并与材料的磁状态耦合，从而成为材料磁状态的函数，此时的，并与材料的磁状态耦合，从而成为材料磁状态的函数，此时的杨氏模量不能再作为常数考虑杨氏模量不能再作为常数考虑13 Vie de mann效应：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---扭转马达扭转马达Anti-Vie de mann效应：效应： 使磁性体发生机械扭曲，且在二次线圈中产生电流使磁性体发生机械扭曲，且在二次线圈中产生电流---扭转传感器扭转传感器Jump效 应：效 应：超磁致伸缩材料，外加预应力时，磁 致伸缩随外场而有超磁致伸缩材料，外加预应力时，磁 致伸缩随外场而有跃变式增加跃变式增加，磁化 率也改变，磁化 率也改变---各种器件各种器件14磁致伸缩效应的表征磁致伸缩效应的表征★磁致伸缩系数★磁致伸缩系数在磁化过程中，磁体沿磁化方向单位长度上发生的长度变化在磁化过程中，磁体沿磁化方向单位长度上发生的长度变化——线磁致伸缩系数λ。

线磁致伸缩系数λ λ＝λ＝ΔΔl / ll ——磁体的原始长度磁体的原始长度 ΔΔl——磁化后长度的改变磁化后长度的改变λ与测量方向有关λ与测量方向有关∥∥磁场方向磁场方向—纵向磁致伸缩系数λ纵向磁致伸缩系数λ∥∥（默认）（默认）⊥磁场方向⊥磁场方向—横向磁致伸缩系数λ横向磁致伸缩系数λ⊥⊥15λ是磁场和温度的函数λ是磁场和温度的函数温度一定，λ的绝对值温度一定，λ的绝对值随磁场增大而增大随磁场增大而增大，达到饱和磁化时，达到一稳定的饱和值，达到饱和磁化时，达到一稳定的饱和值——饱和磁致伸缩系数λ饱和磁致伸缩系数λs （常数）（常数）λλs 可正、可负可正、可负铁：铁：随磁化强度随磁化强度M的增加的增加沿磁化方向伸长，正λ沿磁化方向伸长，正λs ；；镍：镍：随磁化强度随磁化强度M的增加的增加沿磁化方向缩短，负λ沿磁化方向缩短，负λs λλs 的方向性的方向性单晶体：各向异性单晶体：各向异性，默认平行于磁场方向的λ，默认平行于磁场方向的λs ；； 多晶体：各向同性多晶体：各向同性，各晶粒λ，各晶粒λs 的统计平均值的统计平均值16★磁致伸缩率★磁致伸缩率磁致伸缩系数(通常指平行于外磁场方向)随外磁场变化的变化率。

磁致伸缩系数(通常指平行于外磁场方向)随外磁场变化的变化率17具有空间取向性；磁致伸缩系数随外磁场具有空间取向性；磁致伸缩系数随外磁场非线性变化非线性变化；；微分磁致伸缩率：微分磁致伸缩率：曲线上各点切线的斜率；曲线上各点切线的斜率；线性区:线性区:磁致伸缩系数随外磁场线性变化，各点的微分磁致伸缩率相等且绝对值较高；磁致伸缩系数随外磁场线性变化，各点的微分磁致伸缩率相等且绝对值较高；——材料或器件工作最为有利材料或器件工作最为有利磁致伸缩智能器件设计：磁致伸缩智能器件设计：评价材料性能评价材料性能——线性区微分磁致伸缩率线性区微分磁致伸缩率在在在性区线性区工作；工作；工作；工作； 线性区：线性区：线性区：线性区：宽宽；；；； 线性区线性区线性区线性区起始磁场强度：小起始磁场强度：小18★机电耦合系数(磁弹性耦合系数或磁机械耦合系数)★机电耦合系数(磁弹性耦合系数或磁机械耦合系数)磁能可以转换成机械磁能可以转换成机械(弹性弹性)能的那部分；已贮存的机械能的那部分；已贮存的机械(弹性弹性)能中可以转换成磁能的部分对于没有损耗或有辐射的磁机械振子，能中可以转换成磁能的部分对于没有损耗或有辐射的磁机械振子，k k2 2表示每个周期内表示每个周期内k2 = Ec /Ee，通常用，通常用Qm表示表示19从实用角度来看，磁致伸缩材料应具备以下特性：从实用角度来看，磁致伸缩材料应具备以下特性： 变位量及产生的应力要大变位量及产生的应力要大  软磁性软磁性  可在低磁场下驱动可在低磁场下驱动  居里温度高居里温度高  在使用气氛中磁致伸缩特性对温度的变化不敏感在使用气氛中磁致伸缩特性对温度的变化不敏感  高可靠性高可靠性  环保性优良，兼备市场竞争力环保性优良，兼备市场竞争力205 稀土超磁致伸缩材料稀土超磁致伸缩材料(1) 高磁致伸缩金属与合金分类高磁致伸缩金属与合金分类1) 传统金属与合金传统金属与合金纯镍、镍钴合金纯镍、镍钴合金(95%Ni-Co)、铁镍合金、铁镍合金(45%Ni-Fe)、铁铝合金、铁铝合金(13%A1-Fe)、铁钴合金、铁钴合金(65%Co-Fe)等。

λ等λs ：：(±±30-70)××10-6；；k：：0.15-0.5 居里温度较低居里温度较低21居里温度较高，可实用居里温度较高，可实用222) 非晶态合金非晶态合金Fe80 B15 Si5、、Fe66 Co12 B14 Si8等λs ：：(30-45)××10-6；；k：：0.68-0.82采用溅射方法溅射方法制备稀土制备稀土-过渡金属过渡金属非晶薄膜非晶薄膜，具有良好的软磁性，。