磁致伸缩材料介绍

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1、Tb-Dy-Fe超磁致伸缩合金研发及技术储备磁致伸缩现象：物质有热胀冷缩的现象。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，其尺寸又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）λ来描述，λ＝（lH—lo）／lo，lo为原来的长度，1H为物质在外磁场作用下伸长（或缩短）后的长度。一般铁磁性物质的λ很小，约百万分之一，通常用ppm代表。例如金属镍（Ni）的λ约40ppm。磁致伸缩材料分类：磁致伸缩材料主要有三大类：①磁致伸缩的金属与合金，如镍和（Ni）基合金（Ni，

2、Ni－Co合金，Ni－Co－Cr合金）和铁基合金（如Fe—Ni合金，Fe－Al合金，Fe－Co－V合金等）；②铁氧体磁致伸缩材料，如Ni－Co和Ni－Co－Cu铁氧体材料等。上述两种称为传统磁致伸缩材料，其λ值（在20—80ppm之间）过小，它们没有得到推广应用。③近期发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材料（GMM）。以（Tb，Dy）Fe2化合物为基体的合金Tb0．3Dy0．7Fe1．95材料（Tb－Dy－Fe材料）的λ达到1500—2000ppm，比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料的λ大1—2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。Tb-Dy-Fe

3、合金特点：和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，它具有下列优点：1、磁致伸缩应变λ比纯Ni大50倍，比PZT材料大5—25倍，比纯Ni和Ni－Co合金高400—800倍，比PZT材料高14—30倍；2、磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约l0mm的Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力；3、能量转换效率（用机电耦合系数K33表示，即由磁能转换成机械能的比例）高达70％，而Ni基合金仅有16％，PZT材料仅有40—60％；1、其弹性模量随磁场变化而发生变化并可以调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时间）仅百万分之一秒，比人的

4、思维还快；2、频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。该材料目前存在的问题：1、材料成本高2、稀土元素容易氧化，熔炼过程烧损问题3、Tb-Dy-Fe合金脆性大、机加工性能差，到目前为止，稀土超磁致伸缩材料应用最广的形状仍为棒材。Tb-Dy-Fe合金当前应用：由于铽镝铁大磁致伸缩材料应变值高、能量密度大、响应快、精度高、频带宽、且具有智能响应,它的应用使得电（磁）——机械（声）转换产品产生了巨大的突破性进展,在科技领域里是一种超前的、任何材料无法取代的新材料。铽镝铁大磁致伸缩材料在

5、军事方面的应用是这种材料最早的用途之一,用这种材料制作的应用于军事和海洋工程的水声声纳显示出目前世界上最好的性能,探测距离近一万公里,而压电陶瓷声纳小于三百公里。而用于飞机机翼控制可使反映灵敏度、可靠性大幅度提高。用于导弹制导系统,实现飞行轨道计算机快速修正,大大提高命中率。在高精密度控制方面的应用,例如：超精密机床、机器人、主动减振系统、线性马达、高速阀门、伺服阀、汽车燃油电喷阀、超声清洗、打孔、破碎、超声医疗器具、各种精密仪器、计算机光盘驱动器、打印机等。在超大规模集成电路的制作上,使用该材料制作精密定位系统,使集成电路成几十倍增加,体积大大缩小,对电子工业将产生深刻的影

6、响。在民用方面主要应用领域有：照相机快门、编织驱动器、助听器、高保真喇叭、超声洗衣机、家用机器人等等。Tb-Dy-Fe合金目前制备和研究的方法：稀土超磁致伸缩材料的制备技术主要采用定向凝固方法和粉末冶金方法。近年来，定向凝固法通过增加母合金中稀土元素含量，弥补制作过程中的稀土烧损；控制温度梯度和热流方向，采用适当的退火工艺，改进组织结构；同时不断改进制作设备。2003年北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心自行研究开发了“一步法”新工艺，将熔炼－定向凝固－热处理等工序在一台设备上连续完成，可用来制备大直径、高性能、低成本的稀土超磁致伸缩材料，且易于批量生产。用这种工艺研

7、制的稀土超磁致伸缩材料成本仅为国际售价的18%，现已成功生产出直径70mm，长250mm的TbDyFe2超磁致伸缩棒材，主要技术经济指标均达到国际先进水平。武汉理工大学首创了以提拉法无污染磁悬浮冷坩埚技术为核心的整套单晶制备和加工新技术，生产的Tb0.3Dy0.7Fe1.9单晶，超磁致伸缩系数为2000×10-6～2400×10-6。粉末冶金方法也在不断改进，国外粘结磁致伸缩材料的磁性能已接近定向凝固棒材，Sandual等学者制作的粘结磁致伸缩材料的磁致伸缩效应可与Terfenol-D相当。北京有色金属