超磁致伸缩材料及其应用
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
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
浅谈磁致伸缩材料
周文文41255020 计1201浅谈磁致伸缩材料摘要：这学期我学习了《智能材料与结构》这门课程。
短短九周的时间，使我对智能材料的各个板块都有了广泛认识的同时，对于磁致伸缩材料这一方面也产生了很大的兴趣。
本文主要对于磁致伸缩材料的定义、原理与应用进行详细的介绍，并简明扼要的讲述磁致伸缩材料的发展现状及趋势和超磁致伸缩的应用与前景。
关键词：磁致伸缩效应磁致伸缩材料应用超磁致伸缩1、磁致伸缩效应及其历史磁致伸缩是磁性材料由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。
物质都具有热胀冷缩的现象。
除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。
铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长或缩短，去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象(效应)。
1842年，英国物理学家詹姆斯.焦耳发现有一类铁磁类材料，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。
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。
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曲线。
H2、磁致伸缩材料材料、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一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，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、乐电(铁电)材料和磁光材料等。
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。
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。
磁致伸缩材料的应用课件PPT
场影响，导致宏观尺度上材料的形变。
磁致伸缩的微观机制
02
包括电子自旋磁矩的重新排列、原子或分子的振动和位移等。
磁致伸缩与温度的关系
03
磁致伸缩材料的性能受温度影响，不同温度下表现出不同的磁
致伸缩效应。
磁致伸缩材料的性能参数
磁致伸缩系数
衡量磁致伸缩效应的重要参数，不同材料具有不 同的磁致伸缩系数。
居里点
历史与发展
历史
磁致伸缩材料的研究始于19世纪，早 期主要应用于声纳、水声等领域。随 着科技的发展，磁致伸缩材料在能源、 航空航天、精密仪器等领域的应用逐 渐增多。
发展
近年来，随着环保意识的提高和新能 源技术的不断发展，磁致伸缩材料在 节能减排、振动控制、智能传感器等 领域的应用前景越来越广阔。
分类与结构
振动控制
减震器
磁致伸缩材料可以用于制造减震器，通过控制磁场强度来调节减震器的阻尼力，从而有 效抑制结构振动和噪音。
振动隔离器
利用磁致伸缩材料的逆磁致伸缩效应，可以实现主动振动隔离，提高设备的稳定性和可 靠性。
精密测量
磁场传感器
磁致伸缩材料可以用于制造高灵敏度的 磁场传感器，用于测量磁场强度和方向 ，广泛应用于物理、生物医学和地质等 领域。
分类
磁致伸缩材料主要分为金属型和复合型两类。金属型磁致伸缩材料主要包括镍、铁、钴等合金，复合型磁致伸缩 材料则是由铁磁颗粒与非磁性基体复合而成。
结构
磁致伸缩材料的微观结构对其性能具有重要影响。金属型磁致伸缩材料的晶体结构、相变温度、晶粒大小等都会 影响其磁致伸缩性能。而复合ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ磁致伸缩材料的颗粒大小、颗粒分布、基体相的物理性质等也会对其性能产生影 响。
第8章超磁致伸缩材料
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。 用途：地质探矿、生物工程、军事制导等领域。
精品PPT
4、精密控制(kòngzhì)领域 特点：高响应速度、磁致伸缩灵敏、输出应力大等。普遍(pǔbiàn)用于航天定
图4 CU18A磁致伸缩超声换能器
精品PPT
2、力传感领域(lǐnɡ yù)
施加应力 超磁致伸缩棒 空气隙
原理：磁致伸缩逆效应。
永磁铁
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
轭铁 业、化学化工、自动化控制系统等领域。
图11 尺蠖式马达
精品PPT
椭圆模态运动的GMM马达工作效率较低 下，这是由于定子运动到椭圆轨道下半部分时， 作空载(kōnɡ zǎi)回程运动，因而不能推动转 子运动所致。 杭州科技大学设计的新型超磁 致伸缩马达解决了这一问题，该马达的定子由 一个环和两个Terfenol-D线性驱动器构成。
图12 超磁致伸缩(shēn suō)马达定 子
稀土超磁致伸缩材料换能器的主要优点为大位移、强力、大功率以及控制精密和响应快 速，其他优点还包括可靠性高、磁(电)-机转换效率高、频带宽、能源供应简单等。另外，利 用应变直接转换成线性位移或按振动原理设计的器件结构简单、可动件少、刚性大、磨损小， 对精度、响应、可靠性和转换效率的提高也起了重要作用。
稀土超磁致伸缩材料响应速度极高(<1µs)，性能重复性好，换能器结构简单，消除了常 规系统中摩擦、空程、粘附引起的偏差和滞后。所以这种材料的换能器定位精度一般为 10−1µm，最佳可达纳米级。 8.3.1.3 可靠性(性能稳定，不易发生故障)
大磁致伸缩材料用途
大磁致伸缩材料用途
大磁致伸缩材料是一种智能材料，其主要特点是可以通过外界磁场的作用来改变其形状和尺寸，具有重要的应用前景。
以下将从医疗、工业和科学研究三个方面来介绍其用途。
一、医疗应用
大磁致伸缩材料的磁致伸缩效应可以促进人体组织的生长和修复。
因此，它可以应用于人工器官、生物传感器、药物输送等方面。
例如，大磁致伸缩材料可以用于骨骼系统的修复，将其种植至损伤组织内，当外界的医疗磁场作用于其后，大磁致伸缩材料就可以促进骨骼的生长，促进受损组织的修复。
此外，大磁致伸缩材料还可以制备成仿生肌肉，可以用于制作运动感应器或积木附着器等。
二、工业应用
大磁致伸缩材料的主要应用领域是工业领域。
其可以被用于制造智能机器人、电缆、传感器、气压开关等，可以应用于大磁致伸缩材料的温度敏感和磁神经效应。
例如，在机器人领域中，大磁致伸缩材料可用于仿生臂和仿生手，在人体外观和操作能力方面都比较接近人类。
同时，大磁致伸缩材料汇有一定的速度和精度，在传感领域中，大磁致伸缩材料可以制备成扭曲传感器、剪切传感器等，广泛应用于工业自动化和智能制造等。
三、科学研究应用
大磁致伸缩材料在科学研究中也有很大的应用价值。
如在物理、化学、材料学等科研领域中，大磁致伸缩材料可以用于制备高频振子、纳米尺度的机械器件等，有利于研究更加微小或复杂的现象和材料性能。
同时，大磁致伸缩材料还可以应用于精密测试仪器，如量子纠结仪、光谱仪等，因其具有高度的灵敏度和稳定度。
总之，大磁致伸缩材料在医疗、工业和科学研究等领域中都有着非常广泛的应用前景，相信未来这一材料会在各个领域中发挥出更加重要的作用。
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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。
线磁致伸缩的大小用磁致伸缩系数λ(即沿着磁场方向的相对伸长)衡量，如图1.1所示，当材料达到饱和磁化时，义将达到最大值，即称为饱和磁致伸缩系数λs。
图1.1 磁致伸缩材料在外加磁场作用下产生变形的示意图自从发现铁磁材料中存在磁致伸缩现象以后，人们对磁致伸缩材料的开发与探索陆续有了新的进展。
1940年，多晶体Ni和Co、坡莫合金以及铁氧体所具有的磁致伸缩特性被研究人员发现，但饱和磁致伸缩系数量级约为30~70ppm(ppm=10-6)具有的低量级磁致仲缩系数限制了真正的广泛应用，仅有超声换能器等少数领域应用。
1962年，美国水面武器研究屮心Clark博士等发现，稀土铽(Terbium)和镝(Dysprosium)单晶材料在0K低温下具有接近于1%的超大的磁致伸縮系数，但因其无法在正常的环境温度下工作而失去实际应用价值。
1972
年，Clark等制备出了能够在常温环境下具有超磁致伸缩系数的二元立方晶Laves 相稀土金属化合物TbFe2和DyFe2，但这两类化合物具有非常强的磁晶各向异性(K1为磁晶各向异性常数)，TbFe2的K1=-7.6x106J/m3，DyFe2K1=2.1xl06J/m3，需要很大的外加磁场才能使它们达到饱和状态，这增加了实际应用的困难，不易于发挥它的超磁致伸缩优势。
为了能够实现低磁场下的磁致伸缩特性，1974年，Clark等利用具有反号磁晶各向界性常数的化合物TbFe2和DyFe2组合起来形成伪二元化合物Tb1-x Dy x Fe y (0<x<l，0<y <0.2)合金，其磁晶各向异性常数K1可大大减低，在298K为-0.6xl06J/m3，外场作用下的饱和磁致伸缩系数大于1000ppm，达到饱和磁化所需的外加磁场强度小于0.3T，从而真正意义上实现了低磁场和常温环境下的超磁致伸缩特性，具有了真正的应用价值。
通常的，由于Tb1-x Dy x Fe y 合金的特性以及制备工艺和应用Tb1-x Dy x Fe y，合金常被制备成棒材，其轴向磁致仲缩性能最为研究人员关注，目前实用阶段的超磁致伸缩材料棒材在外界预应力作用下其磁致伸缩系数最大可达到1800ppm，实验室得到最大值为2375ppm。
从70年代中期发现超磁致伸缩材料Tb1-x Dy x Fe y合金以來，研究人员不仅对超磁致伸缩材料磁致伸缩性能进行了深入的研究，也对超磁致伸缩材料成分差异与制备工艺对超磁致伸缩材料性能影响进行了深入的研究，从而加快了超磁致伸缩材料的工业化、实用化和产品化以及功能器件的实际应用。
如美国的Edge Technolies公司推出的商标为Terfenol-D的磁致伸缩材料、瑞典FeredynAB公司推出的Magmek86产品、英国稀土制品公司、日本东芝公司和住友轻金属工业株式会社等相继研发出自己的超磁致伸缩材料。
在我国，也有相当多的单位开展了这种材料的研究，虽然开展的研究较晚，但其研究速度较为迅速。
已经有较多单位和企业生产成分为TbDyFe的超磁致伸缩材料，如包头稀土研究院、北京有色金属研究院、中科院物理所、甘肃天星稀土功能材料有限公司、浙江椒光稀土材料有限公司等，其主要性能和指标也都已经接近或者达到了国际同类产品的水平。
一、超磁致伸缩材料的特性
1.超磁致伸缩材料的优点
目前，虽然研制出的超磁致伸缩材料在成分和制备工艺过程当中会存在一些差异，但超磁致伸缩材料的特性是共有的。
以常用的TbDyFe合金棒材为例(成分为Tb1-x Dy x Fe y，0.27 <x<0.3，0.9<y<2.0 )，商业上通常称为Terfenol-D，。