第8章超磁致伸缩材料及其智能化应用-石雅莹
磁致伸缩材料的设计和应用
另一个基于预应力和偏磁的现象可以 用优化理论进行解释。磁致伸缩材料 的性能在不同的应用中非常复杂，因 为在运行过程中改变环境将改变材料 的特性。对于复杂性的全面了解将有 助于工程师开发出磁致伸缩材料的潜 在优点并由此优化基于巨磁致伸缩效 应材料的作动器。图 3 所示是长度在
外加磁场作用下改变的理想化关系。 当磁场反向施加，现象理应相反，即 材料负向应变，但负向场产生了如同 正向场的伸长磁致伸缩效应。曲线形 状让人想起蝴蝶，所以，这条曲线又 被叫做“蝴蝶曲线”。
列整齐。在点 3，出现饱和现象，阻 止了应变的进一步增加。
磁畴的重新定位的物理背景在于 简要、纲要性的描述图 2。在 0 和 1 区间之间，提供的磁场很小，磁畴几 乎不体现其定位模式。由材料如何形 成所决定的内容或许是其通常的定位 形式的一小部分，显出其永久性的偏 磁性。其导致的应变与磁致伸缩材料 的基本结构和材料化学成分均匀性有 很大联系。在 1-2 区间，我们设想， 应变与磁场之间存在几乎趋于线性的 关系。因为关系简单，容易预测材料 的性能，所以，大部分设备被设计工 作于这个区间。曲线超过点 2 后，应 变与磁场关系又变为非线性，这是由 于大部分磁畴已经按照磁场的方向排
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。图 1 中即为长度随磁场强度变化 的理想化。
一个额外的磁致伸缩效应是巴瑞 特效应。在特定的极端运行条件下， 材料体积会随磁场而改变。例如，镍
超磁致伸缩滚珠丝杠副智能预紧技术 著作
超磁致伸缩滚珠丝杠副智能预紧技术在工程领域中，超磁致伸缩滚珠丝杠副智能预紧技术是一项备受关注的前沿研究课题。
本文将深入探讨这一技术的原理、应用及未来发展趋势，希望能够为您对该主题的深入理解提供有益帮助。
1. 技术原理超磁致伸缩滚珠丝杠副智能预紧技术是基于磁致伸缩材料的特性，通过控制磁场来实现对滚珠丝杠副的智能预紧。
磁致伸缩材料的磁化强度可以受到外界磁场的影响而发生变化，利用这一特性可以实现对滚珠丝杠副的精准控制和调节，从而提高其工作效率和稳定性。
2. 技术应用超磁致伸缩滚珠丝杠副智能预紧技术在工程机械领域具有广泛的应用前景。
在数控机床、机器人臂、航空航天设备等领域，利用该技术可以实现对传动系统的高精度控制和长期稳定运行，提高设备的工作效率和可靠性。
3. 技术发展趋势随着工业自动化和智能化水平的不断提高，超磁致伸缩滚珠丝杠副智能预紧技术将在未来得到更广泛的应用。
随着磁致伸缩材料和控制技术的不断创新，该技术将不断提升在精密制造和高端装备领域的地位，为工程技术的发展带来新的机遇和挑战。
总结回顾通过本文的介绍，相信您对超磁致伸缩滚珠丝杠副智能预紧技术已经有了一定的了解。
在未来的工作和研究中，我们应该密切关注该技术的最新进展，不断深化对其原理和应用的理解，以推动相关领域的技术创新和发展。
个人观点与理解作为一项新兴的前沿技术，超磁致伸缩滚珠丝杠副智能预紧技术在工程领域具有重要意义。
我个人认为，通过深入研究和实践，可以进一步发挥该技术的优势，为工程制造和设备运行提供更加可靠和高效的解决方案。
结语以上是对超磁致伸缩滚珠丝杠副智能预紧技术的介绍与探讨，希望能为您对该主题的深入理解提供帮助。
在未来的工作和学习中，让我们共同关注该技术的发展动态，为工程技术的进步贡献自己的一份力量。
结尾。
超磁致伸缩滚珠丝杠副智能预紧技术是一种能够实现滚珠丝杠副智能预紧的技术，它利用磁致伸缩材料的特性，通过控制磁场来实现对滚珠丝杠副的精准控制和调节，从而提高其工作效率和稳定性。
第8章超磁致伸缩材料
第8章超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料（magnetostrictive material）是一种特殊的材料，具有在磁场作用下发生尺寸和形状变化的能力。
它们广泛应用于传感器、电磁换能器和声学设备等领域。
本章将介绍超磁致伸缩材料的基本原理、特性和应用。
超磁致伸缩材料的基本原理是磁致伸缩效应。
当该材料处于外加磁场中时，磁性原子或离子会产生磁偶极矩的改变，从而导致材料产生应力和形变。
这种效应是由材料的微观结构和磁性基团之间的相互作用所决定的。
超磁致伸缩材料的一个重要特性是磁致伸缩系数（magnetostrictive coefficient），它表示材料在外加磁场下的形变能力。
磁致伸缩系数的数值通常很小，大约是10^-6到10^-3之间，但它们在应用中通常足够实现所需的精度和灵敏度。
超磁致伸缩材料在传感器方面的应用非常广泛。
例如，它们可以用于制作磁场传感器，测量磁场的强度和方向。
此外，超磁致伸缩材料还可以制作压力传感器，通过测量材料的形变来间接测量外部的压力。
这些传感器在工业自动化、航空航天和医疗设备等领域中起着重要的作用。
另一个重要的应用领域是电磁换能器（magnetostrictive transducer）。
超磁致伸缩材料可以通过外加磁场产生机械振动，并将电能和机械能之间进行转换。
这种换能器具有高效、可靠、无污染和长寿命的特点，因此被广泛应用于声学设备、振动装置和密封系统等领域。
此外，超磁致伸缩材料还可用于制造声音产生器和压电陶瓷的控制器。
它们的应用不仅可以产生可听的声音，还可以通过调整频率和振幅来实现声音的控制和调节。
尽管超磁致伸缩材料具有许多优点，如高灵敏度、高可靠性和长寿命，但也存在一些挑战和限制。
例如，它们对磁场的稳定性和强度有一定要求，且在高温环境下常常会出现退化和热失效的问题。
此外，超磁致伸缩材料的制备和加工也较为复杂，限制了其在一些领域的应用。
总之，超磁致伸缩材料是一类具有特殊性能和应用潜力的材料。
超磁致伸缩材料的工程应用研究现状
&
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
超磁致伸缩材料微位移执行器原理与应用
超磁致伸缩材料微位移执行器原理与应用贾振元，郭东明著内容简介本书是多项国家自然科学基金、高等学校博士学科点专项基金、辽宁省科学技术基金等项目的研究成果总结，是一本介绍超磁致伸缩材料微位移执行器的原理、设计方法及应用的专著。
本书系统地阐述了超磁致伸缩材料的材料与物理学基础、微位移执行器结构设计方法、建模理论、非线性控制技术以及超磁致伸缩薄膜的工作原理和静动态特性等，并介绍了各种超磁致伸缩材料微位移执行器的应用实例。
全书共分8章。
第1章介绍了超磁致伸缩材料与物理学基础；第2章介绍了超磁致伸缩材料的制备与应用特性；第3章介绍了超磁致伸缩微位移执行器设计理论与方法；第4章介绍了超磁致伸缩材料及微位移执行器的建模理论；第5章介绍了超磁致伸缩微位移执行器控制技术；第6章阐述了超磁致伸缩薄膜的物理与材料学基础；第7章阐述了超磁致伸缩薄膜材料建模理论；第8章介绍了超磁致伸缩材料的应用研究。
本书既具有理论的系统性，又具有工程技术的实用性，可供从事超磁致伸缩材料及其执行器研究工作的科技工作者、专业技术人员以及高等院校相关专业的师生参考。
同时，也可供从事其他功能材料及其应用研究的科研、工程技术人员参阅。
作者简介贾振元，男，1963年生，大连理工大学机械工程学院院长，工学博士，教授，博士生导师。
主要研究方向为功能材料及其传感器执行器技术、精密加工与测量、数控技术等。
负责或参与国家973计划项目、国家863计划项目、国家自然科学基金重点项目和面上项目、国防“十一五”预研项目、总装预研等各类科研项目40余项。
获得国家技术发明二等奖1项，教育部技术发明一等奖1项，教育部科技进步一等奖1项，中国高校科技进步一等奖1项，中国机械工业科学技术三等奖1项，辽宁省科学技术进步二等奖1项，大连市科技进步一等奖1项、二等奖1项，大连市专利金奖1项；发表论文100余篇；合作出版专著1部；获13项专利、8项鉴定成果。
还获得中国机械工程学会青年科技成就奖，辽宁省青年科技奖，大连市劳动模范，辽宁省杰出青年基金；入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选，教育部“新世纪优秀人才支持计划”，辽宁省“新世纪百千万工程”百人层次；享受中华人民共和国国务院颁发的政府特殊津贴。
超磁致伸缩材料及其应用
超磁致伸缩材料及其应用一、超磁致伸缩材料基本概况1．研究背景20世纪80年代,人们提出智能材料的概念以来,有关智能材料的机理研究、智能材料的制备研究以及以智能材料为基础的智能系统与结构的基础与应用研究已成为当前力学、物理、材料、电子、机械及信息等学界的重大基础及应用课题,并已取得了大量卓有成效的研究,形成了"智能系统科学与技术"这一新兴的多学科交叉的高技术领域。
它不仅用在国防和航空航天等高技术领域,而且在民用工业及生产活动中也发挥着重要的作用。
智能材料系统与结构中智能材料是关键,它是一种能通过系统调节材料自身各种功能并对外界复杂环境条件发生变化做出反应而发挥主动功能作用的材料,即具有感知环境变化和对外部环境做出反应的能力。
其中,一类是对外界的刺激强度具有感知,如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等;一类是对外界环境条件发生变化做出响应。
它们可以和控制电路、接口电路、数据通信及电源系统于一体,实现能量之间的转换,制作出各种各样的传感功能和执行功能的智能器件。
目前,智能材料具有驱动功能作用的主要有压电材料、电致伸缩材料、形状记忆合金材料、磁致伸缩材料和电(磁)流变液等。
表1.1所示为几种智能材料基本性能。
表1.1 几种常用功能材料基本性能指标超磁致伸缩材料作为一种新型智能材料,其优良的磁致伸缩特性及潜在的应用前景在高技术领域得到普遍的重视,成为智能材料及其应用设计中的一种重要单元。
2.超磁致伸缩的发展1842年著名物理学家焦耳首先发现:在磁场中,铁磁材料由于磁化状态的改变会引起其长度或体积发生微小变化，这种现象就称为磁致伸缩，也称焦耳效应。
其中，材料在磁化过程中伴有晶格的自发变形，会沿磁化方向发生伸长或缩短的现象，称为线磁致伸缩;体积发生膨胀或收缩的现象称为体积磁致伸缩。
一般的，由于体积磁致伸缩发生在材料达到饱和磁化以后，且体积磁致伸缩比线磁致伸缩要微弱得多，实际用途又非常少，在测量和研究中考虑得很少，因此工程上的磁致伸缩均指线磁致伸缩。
国内外超磁致伸缩材料及作动器的
科技信息1.超磁致伸缩材料的特点与应用1.1超磁致伸缩材料的特点磁致伸缩材料主要有三大类：磁致伸缩的金属与合金、铁氧体磁致伸缩材料和稀土金属间化合物磁致伸缩材料。
前两种称为传统磁致伸缩材料，其磁致伸缩应变过小，没有推广应用价值。
而稀土金属间化合物磁致伸缩材料也称为稀土超磁致伸缩材料。
与其他智能材料相比，稀土超磁致伸缩材料具有以下特点：应力负载大（可达700MPa）、能量转换率高（机电耦合系数可达0.75）、温度适应范围宽（小于200℃）、响应快（微秒级）、驱动电压低（小于30V）等。
另外具有频率特性好，工作频带宽；稳定性好，无疲劳，无过热失效等优点。
因此有专家认为，稀土超磁致伸缩材料可广泛应用到机械、电子、航天、农业等其他领域,是21世纪的战略材料。
1.2超磁致伸缩材料的应用分析迄今已有1000多种超磁致伸缩材料器件问世，应用面涉及航空航天、国防军工、电子、机械、石油、纺织、农业等诸多领域，大大促进了相关产业的技术进步。
超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景，国外已用超磁致伸缩材料来制造出超大功率的超声波换能器。
日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断层分析系统和海洋气候声学温度测量系统的水声发射换能器，可用于测量海水温度和海流的分布图。
德国材料研究所已将超磁致伸缩薄膜材料应用于微型泵的研究之中。
随科技发展的日新月异，超磁致伸缩材料的重要性必将越来越突出，应用也将更广泛。
预计未来超磁致伸缩材料的应用领域包括航空航天、超精密机械加工、海洋工程、汽车制造、石油产业等。
1.3超磁致伸缩材料在我国的研究与应用在国内，北京钢铁研究总院于1991年率先制备出GMM棒材，此后又开展了低频水声换能器、光纤电流检测、大功率超声焊接换能器等的研究。
北京科技大学采用具有自主知识产权的一步法工艺和设备生产稀土超磁致伸缩材料,减少了过程污染,杂质和氧含量低,合金成分控制准确,提高了材料的性能和产品的一致性；同时易于实现自动化控制,生产效率比传统工艺提高了100-150倍,成本大大降低。
超磁致伸缩材料开发和应用动向
金 属 功 能量 变换 型减 振 材料 ， 另一类 则是 通过相 位 变换 来实 现减 振 功能 的材 料 。能 量 转换 型减 振 材料 又 可划 分 为约束 型 、 非约 束 型、 粉粒 型和 固体摩擦 型 ， 约束 型 和非 约束 型 是当前 可 工业 生 产 而且 性 能稳 定 的减振 材 料 。在约 束 型减振 材 料之 中包括 有磁性 材料类 ， 中又有磁性 橡胶 和塑 料磁体 ， 其 即是将 磁性材料 层夹在 约束 板 与基板 之 问制成 的复合减 振板 。约束 型减振 层 复合 板是 把橡 胶 系 、 脂 系 、 胶 沥 青 系或 海 棉系 （ 沫塑 树 橡 泡 料） 之类减 振 材料 层夹 于（ 过一 薄层 粘 结剂 ） 通 约束 板 与基 板 中 间制成 的 复合板 。另 一种 约束 型 减振 板则 是 把橡 胶 系或树 脂 系减振 材料 层与 一层 蜂 窝状材 料 通过 粘结剂 层结合 在 约束板 和基 板 中间。非约 束型减 振材 料 ， 括将 磁 体 、 性橡胶 或 塑料磁 体之 类磁性 材 料层 与基 板 复合 的减振 板 ： 有 将 橡胶 系 、 包 磁 还 树脂 系 、 涂料 系 或铅 之类减 振 层通 过粘 结剂 或利用 热熔 敷法 与基 板 复合的非 约束 型减振 板 ， 是投 有 约束板 的双层 复合 板 。 都 固体摩 擦 型减 振 材料是 由基 板和与 基板振 动传 播 速度 不同 的异 种材 料组合 在一起 的复合 板 。粉 粒体型 则是 将干砂 粒 之类 颗粒 层覆 盖于 基板上 的减 振 材 料 。相 位 变换 型 减 振 系统 是 指 与 动 态减 振 器组 合 在 一起 的 系 统 。高分子 系减振 材料 受温 度的影 响很 大 ， 以受 使用 环境 的限制很 大 。减振材 料 的应用 范 围很广 ， 括汽 所 包
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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
4
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
体积磁致伸缩系数，以 表示。 /
S11 S22 S33
◆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
• 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。
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。
• 超磁致伸缩材料Terfenol-D主要有两种成分，即 Tb0.27Dy0.73Fex
和 Tb0.3Dy0.7Fex。前者磁晶各向异性小，线性较好，滞后较小，
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
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RF。e2立具方有立RF方e2晶化体合中物已的知磁的晶最各大向的异磁性晶则各较向小异。性但。是根，据最稀近土的测-铁量交表换明作，用立的方 强弱，有时这种
第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用 22
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 R1x Rx' Fe2 ，随着成分x的增加，易磁化方向发生从[111]
到化[合10物0配]的合转成变的，赝并二随元着RF温e2度化的合降物低可发做生到转使变材的料点具x有变各小向。异以性适补当偿的和两自种旋RF再e2 取向。
不加压应力时有较高的动态磁致伸缩系数d33和饱和磁致伸
缩系数 s 。后者磁晶各向异性稍大，压应力对其作用强
烈。它通过“磁致伸缩跃变效应”产生很高的 d33 和 Tb／Dy比值的选择还要考虑工作温度。Fe量x一般取
s
，
1.90～1.95，目的在于产生少量稀土相，提高材料的强度。
20
第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用 21
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
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。
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
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
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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8.2超磁致伸缩材料
第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
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
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第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
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
• 缩磁，致T而伸bFD缩e2y具。Fe有这2具大种有的差接未异近饱可于和用零的居的磁里自致温发伸度 T室晶D降cy温态而的FeD；迅不2的y而速同F磁e非增来2（致晶加解伸dD。释缩/yd。FT系e非2的数0 ）晶T随不Tc温<b同F室度e，2温的的非。T下晶c与>
பைடு நூலகம்19
第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
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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 。
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)。
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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①2含.2有μ 大B。量重的稀稀土土还离有子大（的获磁得晶大各磁向致异伸性缩。值实的用首的要超条磁件致）伸；缩②材稀料土应离具子有参的与特的点交： 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。
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
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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 Fe1x (0.25 x 0.45)
• 的磁致伸缩。非晶 TbFe2 ，Tb0.3Dy0.7Fe2 和DyFe2的室温磁致伸缩如图所示。
• 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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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。
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