超磁致伸缩材料的特性及其发展应用

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1、超磁致伸缩材料的特性及其发展应用摘要：本文介绍了超磁致伸缩材料独特的性能及其发展历程。通过查阅大量的资料，阐述了超磁致伸缩材料在各个领域的应用及研究现状，并且对其今后的应用做了一些展望。关键词：超磁致伸缩材料；特性；应用引言随着科学技术的发展，稀土功能材料在科学领域中的研究和应用愈发重要和广泛，特别是在国防领域中，因而稀土材料成为了各个国家的战略性资源。我国近几年更是大力发展各种新型的稀土功能材料，这其中就包括了新型的稀土超磁致伸缩材料。稀土超磁致伸缩材料的应用非常广泛，对发展有源减震、航天燃料喷射系统、快

2、速阀门控制、纳米级致动器、新型声纳系统、机器人等高新技术有着重要的影响。1超磁致伸缩材料1.1产生磁致伸缩效应的机理图1磁体磁畴在外磁场作用下发生转动引起磁体尺寸发生变化示意图Fig.1Themagneticdomainundertheeffectofexternalmagneticfieldoccurrenceofrotationandleadtochangesizemagnets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

3、化是1842年由焦耳发现，亦统称为焦耳效应或者线性磁致伸缩。由于体积磁致伸缩量非常小，研究和应用都主要是线性磁致伸缩领域，所以一般的磁致伸缩也就是指线性的磁致伸缩。产生磁致伸缩的机制是多方面的，有自发形变、场致形变、轨道耦合和自旋—轨道耦合相叠加、形状效应等原因，以下仅从场致形变的理论简单说明：在外磁场的作用下，多畴磁体的磁畴要发生畴壁移动和磁畴转动，结果导致磁体尺寸发生变化。当磁场比饱和磁场小时，样品的形变主要是长度的改变，体积几乎不变；当磁场大于饱和磁场时，样品主要表现为体积磁致伸缩。磁体磁畴在外磁场作

4、用下发生转动引起磁体尺寸发生变化的示意图如图1所示。1.2磁致伸缩材料的其他物理效应10磁致伸缩材料除了焦耳效应外，还有其他以下几种物理效应：（1）维拉里效应，即磁致伸缩逆效应。在磁场中，给磁体施加外力作用，由于形状变化，导致磁化强度发生变化。（2）维德曼效应。在磁性体上施加适当的磁场，当有电流通过时磁性体发生扭曲变形的现象。（3）维德曼逆效应。当磁致伸缩材料沿轴向发生周向扭曲，同时沿轴向施加磁场时，则沿周向出现交变磁场的现象。（4）跳跃效应。当磁致伸缩材料外加预应力时，磁致伸缩呈跳跃式变化，磁化率也发生变

5、化。（5）效应。磁致伸缩材料由于磁化状态的改变而引起自身杨氏模量发生变化的现象。1.3超磁致伸缩材料特性早期发现的磁致伸缩材料的磁致伸缩量都很小，磁致伸缩系数约在10~60之间，这种磁致伸缩材料被称为传统的磁致伸缩材料，它包括、合金、合金等。但1972年美国的Clark博士发现二元稀土铁合金在常温下具有极大的磁致伸缩系数后，这种新型的磁致伸缩材料被称为超磁致伸缩材料（GiantMagnetostrictiveMaterial简称GMM），由于为稀土构筑，亦称稀土超磁致伸缩材料。近几十年人们不断对超磁致伸缩材

6、料进行研究并开发应用，其中最著名的就是美国生产的Terfenol-D型号商品，这种稀土超磁致伸缩材料的性能不仅远远要好于传统的磁致伸缩材料，而且性能比压电陶瓷材料（PZT）更优越。总的来说，超磁致伸缩材料具有以下几大特点：（1）磁致伸缩系数非常大，是Fe、Ni等材料的几十倍，是压电陶瓷的3~5倍。正是这样大的伸缩系数，是使得超磁致伸缩材料发展迅速的根本原因所在。（2）超磁致伸缩材料的能量转换效率在49%~56%之间，而压电陶瓷在23%~52%之间，传统的磁致伸缩材料仅为9%左右，所以可运用此特性制造高能量转

7、换效率的机电产品。（3）居里温度在300以上，远比PZT要高，因此在较高的温度下工作都可以保持性能的稳定。（4）能量密度大，是Ni的400~800倍，是压电陶瓷的12~38倍，此特性适用于制造大功率器件。（5）产生磁致伸缩效应的响应时间短，可以说磁化和产生应力的效应几乎是同时发生的，利用这一特性可以制造超高灵敏电磁感应器件。（6）抗压强度和承载能力大，可在强压力环境下工作。（7）工作频带宽，不仅适用于几百Hz以下的低频，而且适用于超高频。2超磁致伸缩材料的发展2.1国外超磁致伸缩材料的研究发展20世纪60年

8、代初，Legvold等人发现稀土金属Tb和Dy在低温下磁致伸缩系数非常大，但是有序化温度很低。1972年，美国的A.E.Clark博士发现、等二元稀土铁合金在温室下有很大的磁致伸缩系数。1974年Clark又发现了三元稀土铁合金的饱和磁致伸缩系数达到了的数量级，远比其他材料的伸缩系数要大，并在1976年申请了此项专利并推向实用化。10到20世纪80年代中期，开始出现了商品化的稀土超磁致伸缩材料，主要的代表为美国E