最新35稀土磁致伸缩

2.重稀土金属合金：
Tb0.6Dy0.4合金
3.稀土与过渡金属间化合物：
REFe3, RE5Fe23, RE2Fe17, TbNi0.4Fe1.6 4.锕系金属化合物
• 稀土与过渡金属，如Fe，Co等的二பைடு நூலகம்或 三元合金则具有巨大的磁致伸缩值，高 于非稀土的近百倍。
λ达到1500~2000ppm
稀土超磁致伸缩材料 RE-GMM
• 一、概述
• 定义：铁磁材料和亚铁磁材料，在外磁 场被磁化时，其长度和体积都要发生变 化，而失去外磁场后，又恢复原来长度 或体积，这种现象称为磁致伸缩。
•磁致伸缩材料主要分4大类：
1.过渡族金属与合金：
Fe 、Ni合金，Ni－Co， Ni－Co－ Cr和铁基合金Fe－Ni，Fe－Al，Fe－Co －V等。
•磁致伸缩机理
当材料的磁化状态发生改变时，其自 身的形状和体积要发生变化，以使总能量 达到最小。
磁致伸缩一般起源于下列集中作用：
（1）当材料的晶格发生畸变时，其交换 能也随之变化，晶格的排列总是选择一种 能量最低的位置。这种晶格畸变可以是各 向同性的，也可以是各向异性的。
（2）原子的磁偶极距之间的相互作用也 能引起磁致伸缩。（各向异性的）
35稀土磁致伸缩
• 所有的稀土元素与铁和硼均可形成REFeB化合物， 其中钕铁硼均可制成有实用意义的永磁材料。钕铁硼
化合物类金属硼等元素的添加对四方相钕铁硼的形成 起决定性作用。实验结果表明，不含硼的Nd-Fe合金 由a-Fe和NdFe相组成。当硼摩尔分数增加到4%时， NdFe相消失，开始出现钕铁硼相。当硼摩尔分数增 加到7%时，a-Fe相消失，合金由钕铁硼和富钕以及
• 稀土离子超磁致伸缩的来源
主要来源于未满的4f层电子，受外层 5s、5p和6s电子的屏蔽。且稀土金属的 原子间距比半径大1-2数量级。
所以轨道与自旋耦合作用比稀土中心离子 和周围配体离子所产生的晶体场的相互 作用大1-2个数量级。
• RE-GMM拥有大的磁致伸缩系数： 稀土离子的4f电子轨道具有强烈的
长或缩短，称为线磁致伸缩。变化的数量 级为10－6～10－5.当磁体发生线磁致伸缩 时，体积几乎不变，而只改变磁体的外形。
在磁化未达到饱和状态时，主要是磁体长 度变化产生线磁致伸缩。
l
l
线性磁致伸缩系数
• 2.体积磁致伸缩：
当材料在磁化状态改变时，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 磁体中体积磁致伸缩很小，实际用途也 很少，在测量和研究中，所以一般磁致 伸缩都指的是线磁致伸缩）。
•正负磁致伸缩： 当未加外加磁场时，磁畴的磁化方向
是随机的；加上外磁场后，通过畴壁的运 动和磁化方向的转动，最终大量的磁畴的 磁化方向将倾向平行于磁场。
如果畴内磁化强度方向是自发形成的长轴， 则材料在外场方向将伸长，这时正磁致伸 缩。
如果磁化强度方向是自发形变的短轴，则 材料在外场方向将缩短，这是负磁致伸缩。
稀土磁致伸缩材料主要是稀土－铁系金 属间化合物，这类材料具有比铁、镍大 得多的磁致伸缩值，并且机械响应快、 功率密度高，所以可广泛应用于声纳系 统、大功率超声器件、精密控制系统、 各种阀门、驱动器等，是一种具有广阔 发展前景的稀土功能材料。
•二、磁致伸缩效应和机理
1.线磁致伸缩： 当材料在磁化时，伴有晶 格的自发的晶格变形，即沿着磁化方向生
富硼相组成。随硼含量增加，富硼相的数量有所增加。
有碳取代硼原子亦可形成钕铁碳化合物，其晶体结构 与钕铁硼的相同。NdFeC化合物亦具有相当高的内禀
磁性，但由于其形成困难，同时在高温区要分解，因
此不能用来制备有实际意义的永磁材料。硅与碳虽然
有相同的原子价，但硅的原子半径比硼的原子半径大
得多，因而硅只能取代铁原子晶位而不能取代硼原子 晶位。
轨道角动量冻结的物理机制：
过渡金属的3d电子轨道暴露在外面，受晶场的 控制。晶场的值为102-104(cm-1)大于自旋-轨道耦合 能(l)102(cm-1).
晶场对电子轨道的作用是库仑相互作用，因而 对电子自旋不起作用。随着3d电子的轨道能级在晶 场作用下劈裂，轨道角动量消失。
• 对开壳层分子（分子中含有不成对电子）， 自旋磁矩肯定不为零，但是否具有轨道磁矩，即 轨道是否“冻结”， 要根据不同情况而定。徐 光宪教授根据量子化学的结论总结出轨道不“冻 结”（轨道磁矩有贡献）的三个条件：（1）未 成对电子占据的是简并轨道中的一个；（2）在 与该未成对电子占据轨道简并的诸轨道中，至少 有一个没有与该未成对电子自旋平行的电子占据； （3）上述两个简并轨道可以通过绕某轴旋转适 当角度而彼此重跌。显然“冻结”的起码前提条 件是不成对电子占据简并分子轨道。
三、稀土超磁致伸缩材料的结构
• Tb0.27Dy0.73Fe2-x（0≤x ≤ 0.5）等典 型稀土-铁三元系超磁致伸缩材料。
• 磁性晶体的性能除了与晶体结构有关外， 还与晶体的微结构以及磁性体的磁畴结 构密切相关。
四、稀土超磁致伸缩材料的性能
• 磁致伸缩常数的测定通常采用应变什来 进行。
• 硅钢片用 Fe－Si台金的λ100 和λ111 与 成分间的关系图如后。
（3）由原子的轨道和晶场的相互作用及 自旋－轨道相互作用而引起的磁致伸缩。 （各向异性）（大磁致伸缩的主要来源）
一般所说的磁致伸缩指的是场致形变， 即当施加外磁场时，材料沿某一方向长度 的变化。在铁磁或亚铁磁材料中，当温度 在材料居里点一下的温度时，由于自发磁 化在材料的内部形成大量的磁畴。每个畴 内，由于上述的几种作用机制，晶格都发 生形变。
各向异性，当自发磁化后，4f层电子云 会在某一个或几个特定的方向能量达到 最低，从而引起晶格沿着这几个特定的 方向产生较大的畸变，这样当施加外磁 场时就产生了大的磁致伸缩。
轨道角动量冻结
在晶场中的3d过渡金属的磁性离子的原子磁矩 仅等于电子自旋磁矩，而电子的轨道磁矩没有贡献。 此现象称为轨道角动量冻结。
λ100为正，λ111为负。
随Si含量的增加，其数值 变小。到质量分数wSi为 60%左右达到零。这一事 实对于制作磁致伸缩为零 的FeSi磁性材料是致关 重要的。