《磁性材料与器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁性材料与器件（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划磁性材料与器件关于磁致伸缩系数的测量一、目的意义能源、材料和信息并列为现代科学技术的三大支柱,这三大支柱是现代社会赖以生存和发展的基本条件之一,其中材料科学显得尤为重要。磁致伸缩材料(MagnetostrictiveMaterial)是自20世纪70年代迅速发展起来的新型功能材料，目前已被视为21世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性功能材料，由于它在室温下具有机械能电能转换率高、能量密度大、响应速度快、可靠性好、驱动方式简单等优点，引发了传统电子信息系统、传感系统、振动系统等的革命性
2、变化。磁致伸缩系数是标志磁致伸缩材料性能优劣的关键参数，磁致伸缩系数越大其材料的能量密度越大，获取较大的磁致伸缩系数也是研究人员的目的之一，因此,获得精确的GMM的磁致伸缩系数,对材料的开发应用具有重要意义。本文主要以铁镍合金为例来说明磁致伸缩系数这一性能参数的测量。目前典型的GMM为TerfenolD,它的磁致伸缩系数一般微米级,因此磁致伸缩系数的测量属于微位移测量范围，对测量的要求较高。二、原理与测试方法1、磁致伸缩效应原理铁磁体在外磁场的作用下被磁化后，其长度及体积发生了变化，这种现象称为磁致伸缩效应。磁致伸缩现象是1842年由著名物理学家焦(Joule)发现的,故又称为焦耳效应。图一磁
3、畴磁化与磁致伸缩效应当磁致伸缩材料未被磁化时，其内部的磁畴取向是随机的，由于材料内部磁畴的方向和大小在宏观上相互抵消，所以其总体上的磁场强度H为0.如图一所示。以长方形磁致伸缩材料为研究对象，当材料沿其L边被磁化后，它的内部磁畴取向基本一致，如图一所示。这时，在宏观上对外其磁场强度为H1.但是，在材料被磁化的同时，材料本身的外形也发生了变化，沿磁化方向伸长了?L，沿垂直磁化方向缩短了?W，这就是磁致伸缩效应。磁致伸缩现象的大小用磁致伸缩系数表示。在磁化过程中,磁体沿磁化方向单位长度发生的伸缩量称为线磁致伸缩系数,用表示,表达式为?LL式中:?L此为材料长度变化量；L为材料原始长度。?符号为正时
4、,表示材料随磁场强度增强材料的长度是伸长的，称为正磁致伸缩；元符号为负时,表示材料随磁场强度增强材料的长度是缩短的,称为负磁致伸缩。2、磁致伸缩系数的测量方法目前国内外测量磁致伸缩系数的方法有电阻应变片法、电容法、光杠杆法、干涉法等。其中电阻应变片法和电容法是比较完善的测量方式,另外,根据不同的测量原理,还有磁矩转动法、铁磁共振法、位移传递法等测量方式。下面以电阻应变法为例来说明磁致伸缩系数的测量。图2单臂工作电桥将电阻应变片粘贴在超磁致伸缩材料上,再把贴有应变片的样品放入磁场中，在磁场的作用下样品产生磁致伸缩?L，磁致伸缩引起应变片的电阻R发生L变化，当?R?L较小时，电阻的相对变化可表示为
5、：RL?R?L?KRL超磁致伸缩材料的形变会传递到应变片上,从而转化为电阻的变化,通过测量电阻的变化而测定磁致伸缩系数?。电阻应变仪最常见的测试电路是采用单臂电桥,如图2所示。若R1=R2=R3=R4=R,则输出电压为：UO?Ui?R?4R将此电压通过放大器放大后,换算成应变片电阻阻值的变化可知样品应变的变化：?4Uo?KUi这种测试技术在磁致伸缩参数测量中具有许多独特的优点，例如结构简单、尺寸小、分辨率高、灵敏度高等优点。但是应变片法也有缺陷,测量时,必须保证样品与应变片良好粘合,必须消除电动势和热电势的影响,对引线的材料、长短及焊接均需加以考虑,还要注意减小样品的波动等。三、测试结果与分析
6、在对不同的磁场强度下进行测试之后，可得磁致伸缩系数与磁场强度H的关系曲线。如图三所示。图3不同磁场强度下的磁致伸缩系数由图中可知有以下结果：磁致伸缩系数与磁场强度成V型曲线，当磁场强度在一定范围内时，磁致伸缩系数随磁场强度H的增加而增加，当磁场H继续增加时，磁致伸缩系数不再增加而达到饱和。磁致伸缩系数具有滞回特性，即上升曲线与下降曲线不同。四、结论用电阻应变法测量磁致伸缩系数具有较高的精度和灵敏度，但也有其固有的缺点，例如应变片与材料是否良好粘合等，这都会影响最后磁致伸缩系数的测量准确度。五、参考文献1.王博文。磁致伸缩材料与器件。冶金工业出版社，北京.2.姚世选。磁致伸缩直线位移传感器的机理
7、研究与应用，太原理工大学博士学位论文.磁性材料及其元器件试卷一、填空题1、物质显示的磁性可分为强磁性和弱磁性，强磁性包括：，；弱磁性包括、。2、由物质自身决定的磁学特性有、，对组织结构敏感的磁学特性有、。3、磁学的单位有国际单位制和厘米克秒制，1特斯拉等于;1奥斯特等于。以国际单位计1MGsOe的磁能积等于。4、磁畴与磁畴之间的边界称为磁畴壁，磁畴壁的基本类型有三种，分别是、。在块体状磁性体中可见磁畴，而在薄膜磁体中可见到磁畴。5、按晶体结构不同，铁氧体可分为晶系和晶系，其中硬磁铁氧体的结构为。6、非晶软磁材料制备方法有：、。7、HDDR制粉法包括、。8、光盘是利用磁光效应中的效应来进行光磁记
8、录的；电脑磁头是利用电流磁气效应中的效应来读取信息的。二、简答题1、什么是磁化强度？什么是磁感应强度？它们之间有什么关系？2、磁性体内部的能量有哪些？磁畴的结构由什么决定？3、简述对金属系软磁材料合金化有什么作用？4、什么是Barkhuasen效应？5、简述Nd-Fe-B系烧结永磁体的生产工艺？6、影响定向度的主要因素有哪些？粉末磁场取向时哪种方式有利于提高定向度？7、简述AMR磁头及GMR磁头的工作原理？8、Nd-Fe-B永磁体主要包括哪些相？这些相各有什么作用？三、综述题1、高性能软磁材料应具备哪些条件？对其微结构有什么要求？为什么说非晶态磁性材料具有优良的综合软磁特性？2、综述矫顽力产生
9、的机制并结合这些机制讨论如何提高Nd-Fe-B永磁体的矫顽力磁性材料Jumpto:,磁性材料magneticmaterial可由磁场感生或改变磁化强度的物质。按照磁性的强弱，物质可以分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性等几类。铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质，其余为弱磁性物质。现代工程上实用的磁性材料多属强磁性物质，通常所说的磁性材料即指强磁性材料。磁性材料的用途广泛。主要是利用其各种磁特性和特殊效应制成元件或器件；用于存储、传输和转换电磁能量与信息，或在特定空间产生一定强度和分布的磁场；有时也以材料的自然形态而直接利用(如磁性液体)。磁性材料在电子技术领域和其他科学技术领域中都有重
10、要的作用。简史中国是世界上最先发现物质磁性现象和应用磁性材料的国家。早在战国时期就有关于天然磁性材料的记载。11世纪就发明了制造人工永磁材料的方法。1086年梦溪笔谈记载了指南针的制作和使用。10991102年有指南针用于航海的记述，同时还发现了地磁偏角的现象。近代，电力工业的发展促进了金属磁性材料硅钢片的研制。永磁金属从19世纪的碳钢发展到后来的稀土永磁合金，性能提高二百多倍。随着通信技术的发展，软磁金属材料从片状改为丝状再改为粉状，仍满足不了频率扩展的要求。20世纪40年代，荷兰斯诺伊克发明电阻率高、高频特性好的铁氧体软磁材料，接着又出现了价格低廉的永磁铁氧体。50年代初，随着电子计算机的
11、发展，美籍华人王安首先使用矩磁合金元件作为计算机的内存储器，不久被矩磁铁氧体记忆磁芯取代，后者在6070年代曾对计算机的发展起过重要的作用。50年代初人们发现铁氧体具有独特的微波特性，制成一系列微波铁氧体器件。压磁材料在第一次世界大战时即已用于声纳技术，但由于压电陶瓷的出现，使用有所减少。后来又出现了强压磁性的稀土1/17合金。非晶态磁性材料是近代磁学研究的成果，在发明快速淬火技术后，1967年解决了制带工艺，正向实用化过渡。分类磁性材料按磁性功能分，有永磁、软磁，矩磁、旋磁和压磁材料；按化学成分分，有金属磁和铁氧体；按结构分,有单晶、多晶和非晶磁体；按形态分,有磁性薄膜、塑性磁体、磁性液体和
12、磁性块体。磁性材料通常是按功能分类的。永磁材料一经外磁场磁化以后，即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。对这类材料的要求是剩余磁感应强度Br高，矫顽力BHC(即抗退磁能力)强，磁能积(BH)max(即给空间提供的磁场能量)大。相对于软磁材料而言,它亦称为硬磁材料。永磁材料有合金、铁氧体和金属间化合物三类。合金类:包括铸造、烧结和可加工合金。铸造合金的主要品种有:AlNi(Co)、FeCr(Co)、FeCrMo、FeAlC、FeCo(V)(W)；烧结合金有：ReCo、ReFe以及AlNi、FeCrCo等；可加工合金有：FeCrCo、PtCo、MnAlC、CuNiFe和
13、AlMnAg等，后两种中BHC较低者亦称半永磁材料。铁氧体类：主要成分为MO6Fe2O3,M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等复合组分。金属间化合物类：主要以MnBi为代表。永磁材料有多种用途。基于电磁力作用原理的应用主要有：扬声器、话筒、电表、按键、电机、继电器、传感器、开关等。基于磁电作用原理的应用主要有：磁控管和行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等。基于磁力作用原理的应用主要有：磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、控温计等。其他方面的应用还有：磁疗、磁化水、磁麻醉等。根据使用的需要，永磁材料可有不同的
14、结构和形态。有些材料还有各向同性和各向异性之别。软磁材料它的功能主要是导磁、电磁能量的转换与传输。因此，对这类材料要求有较高的磁导率和磁感应强度，同时磁滞回线的面积或磁损耗要小。与永磁材料相反，其Br和BHC越小越好,但饱和磁感应强度Bs则越大越好。软磁材料大体上可分为四类。合金薄带或薄片：FeNi(Mo)、FeSi、FeAl等。非晶态合金薄带:Fe基、Co基、FeNi基或FeNiCo基等配以适当的Si、B、P和其他掺杂元素,又称磁性玻璃。磁介质:FeNi(Mo)、FeSiAl、羰基铁和铁氧体等粉料，经电绝缘介质包覆和粘合后按要求压制成形。铁氧体：包括尖晶石型M+OFe(M+2O3代表NiZn
15、、MnZn、MgZn、Li1/2Fe1/2Zn、CaZn等),磁铅石型Ba3Me2Fe24O41(Me代表Co、Ni、Mg、Zn、Cu及其复合组分)。软磁材料的应用甚广，主要用于磁性天线、电感器、变压器、磁头、耳机、继电器、振动子、电视偏转轭、电缆、延迟线、传感器、微波吸收材料、电磁铁、加速器高频加速腔、磁场探头、磁性基片、磁场屏蔽、高频淬火聚能、电磁吸盘、磁敏元件(如磁热材料作开关)等。矩磁材料和磁记录材料主要用作信息记录、无接点开关、逻辑操作和信息放大。这种材料的特点是磁滞回线呈矩形。旋磁材料具有独特的微波磁性，如导磁率的张量特性、法拉第旋转、共振吸收、场移、相移、双折射和自旋波等效应。据此设计的器件主要用作微波能量的传输和转换，常用的有隔离器、环行器、滤波器、衰减器、相移器、调制器、开关、限幅器及延迟线等，还有尚在发展中的磁表面波和静磁波器件。常用的材料已形成系列，有Ni系、Mg系、Li系、YlG系和BiCaV系等铁氧体材料；并可按器件的需要制成单晶、多晶、非晶或薄膜等
