专题综述 文章编号:100320794(2006)0520725203 超磁致伸缩材料的应用现状 方紫剑,王传礼 (安徽理工大学,安徽淮南232001) 摘要:稀土超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料具有应变大、响应速度快等优点。介绍了超磁致伸缩材料(G M M)及基本特性,且较全面地论述了超磁致伸缩材料2类执行器在各领域(特别是在液压元件和微型马达)中的应用及研究现状。 关键词:超磁致伸缩材料;液压元件;微型马达 中图号:TP39文献标识码:A Applications of G iant Magnetostrictive Material FANG Zi-jian,WANG Chu an-li (Anhui University of Science and T echnology,Huainan232001,China) Abstract:The giant magnetostrictive material(G M M)has the advantages of high strain and fast response.The giant magnetostrictive material and its basic characteristics are presented.The current researches on applica2 tions of tw o kinds of G MA in various fields(particularly in the field of hydraulic com ponents and micro-m o2 tors)are com prehensively introduced. K ey w ords:giant magnetostrictive material;hydraulic com ponent;micro-m otor 1 超磁致伸缩材料(G M M)的性能特点 G M M与压电材料(PZT)和传统磁致伸缩材料Ni、C o等相比,具有独特的性能:(1)在室温下的磁致伸缩应变大,是Ni的40～50倍,是PZT的5～8倍;(2)能量密度高,是Ni的400～500倍,是PZT的10～25倍;(3)响应速度快,一般在几十毫秒以下,甚至达到微秒级;(4)输出力大,负载能力强,可达到220～800N;(5)其磁极耦合系数大,电磁能机械能的转换效率高,一般可达72%;(6)居里点温度高,工作性能稳定。此外,声速低,约是Ni的1Π3,PZT的1Π2。鉴于G M M的上述优良特性,这种材料在许多领域中已引起人们的广泛重视。 2 物理效应与应用形式 2.1 超磁致伸缩材料的物理效应 (1)Joule效应 磁性体被外加磁场磁化时,其长度发生变化的现象,可用来制作磁致伸缩转换器。 (2)Villari效应 由于形状变化,致使其磁化强度发生变化的现象,可用于制作磁致伸缩传感器。 (3)ΔE效应 随磁场变化,杨氏模量也发生变化的现象,可用于声延迟线。 (4)Viedemann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,可用于制作扭转马达等。 (5)AntiViedemann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,则沿周向出现交变磁化的现象,可用于扭转传感器。 (6)Jum p效应 当超磁致伸缩材料外加预应力时,磁致伸缩呈跃变式变化,磁导率也发生变化。 以上效应是超磁致伸缩材料的应用研究基础,利用这些效应可做成各种器件。 2.2 超磁致伸缩材料在工程中应用的2种形式 按照是否采用基片可将超磁致伸缩执行器 (G MA,G iant Magnetostrictive Actuator)分为2类: (1)直动型 直动型超磁致伸缩执行器一般使用超磁致伸缩棒(例如T erfenol-D),当作用在其上的磁场变化时产生形变,从而推动负载运动。 (2)薄膜型 这类执行器一般是采用在非磁性基片(通常是用一些半导体材料如Si制成)的上、下表面采用闪蒸、离子束溅射、电离镀膜、直流溅射、射频磁控溅射等方法分别镀上具有正(如:TbFe)、负(如:SmFe)磁致伸缩特性的薄膜制成,当在长度方向外加磁场时,产生正磁致伸缩的上表面薄膜伸长,而产生负磁致伸缩的下表面薄膜缩短,从而带动基片发生偏转。 3 两种G MA的应用现状 基于超磁致伸缩材料的微位移执行器具有大位移、强力、响应快、可靠性高、漂移量小、驱动电压低等优点,因而在液压元件、微型马达、声纳换能器等工程领域均显示出良好的应用前景。2种形式的G M M在工程中都有广泛的应用,本文着重介绍了2种形式的G M M在液压元件和微型马达中的应用。 3.1 直动型G MA的应用现状 目前,直动型超磁致伸缩执行器较多应用于微型泵、各种阀门、微型马达、声纳等产品中。 (1)微型泵 瑞典ABB公司用T erfenol-D为驱动元件设计了微型泵;日本用T erfenol-D制成了微型隔膜泵;英国SanT echnology公司的DariuszA.Bushko和James. H.G oldie用T erfenol-D棒制成了微型高压隔膜泵,其结构如图1,结合水力和电控装置,可实现强力、大行程的水力驱动,既可线性输出又可旋转输出,体积小且易于控制,其工作原理通过线圈驱动G M M 第27卷第5期2006年 5月 煤 矿 机 械 C oal Mine Machinery V ol127N o15 M ay.2006
磁致伸缩材料的设计和 应用 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
磁致伸缩材料的设计和应用 Olabi A Grunwald (都柏林城市大学机械制造自动化学院) 摘要：磁致伸缩效应是指材料在外加磁场条件下的变形。磁畴的旋转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。 本文将展示磁致伸缩效应的研究方法现状和其应用，诸如：大型作动器响应、标准Terfenol-D 作动器、基于Terfenol-D的直线马达（蜗杆驱动）、用于声纳换能器的Terfenol-D、用于无线旋转马达的Terfenol-D、基于Terfenol-D的电动液压作动器、无线型直线微型马达、磁致伸缩薄膜的应用、基于磁致伸缩效应的无接触扭矩传感器和其他应用。研究表明，磁致伸缩材料具有许多优良的特性，从而可以被用于许多先进设备。 关键词：磁致伸缩效应；作动器；传感器；Terfenol-D 1.前言 磁致伸缩效应是指材料在外加磁场条件下的变形。磁致伸缩效应于19世纪（1842年）被英国物理学家詹姆斯.焦耳发现。他观察到，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。对于两类材料来说，磁致伸缩现象的原因是相似的。小磁畴的旋转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
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。
H 2、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。这些材料因其具有优异的性能，给电工行业带来了新的活力，在军民两用高技术领域有着广泛的应用前景。 自从发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能器件与设备。为此人们研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主要有三大类：即：磁致伸缩的金属与合金，如镍（Ni）基合金（Ni， Ni－Co合金， Ni －Co－Cr合金）和铁基合金（如 F e－Ni合金， Fe－Al合金， Fe－ Co－V 合金等）和铁氧体磁致伸缩材料，如 N i－Co和 Ni－Co－Cu铁氧体材料等。这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，后来人们发现了电致伸缩材料，如（ Pb， Zr，Ti）C03材料，（简称为 P ZT或称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约200~400ppm，它很快得到广泛应用；第三大类是近期发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料，例如以（ Tb，Dy）Fe2化合物为基体的合金。 由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移与信息）。转换成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转换功能材料。
超磁致伸缩材料及其应用 周全祥（2009级应用物理学） 摘要：超磁致伸缩材料（GMM）是一种在室温和低磁场条件下，就能产生很大磁致伸缩应变的新型功能材料，具有输出力大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出应变大等优点，在智能系统中具有广泛的应用前景，其力学响应行为涉及变形场、磁场、涡流场、温度场相互耦合问题，直接关系到智能系统的性能指标和可靠运行。目前人们已经设计并制造出各种智能结构和器件，如:主动减振装置、高精度线性马达、超磁致伸缩微泵、微阀门、微定位装置等等，使得磁致伸缩材料在众多的功能材料中备受瞩目。超磁致伸缩材料Terfenol-D与压电陶瓷材料相比具有更优越的性能。 关键字：超磁致伸缩材料，工作特性，制备工艺，非线性，换能器，制动器Abstract：Giant Magnetostrictive Materlal，GMM in abbreviatory，is one kind of new funetion materials and can give giant magnetostriction strains with temperature indoor and low magnetie field.It has good features such as giants trains，high force，high energy density，high mechanical-magnetic coupling coefficient，mierosecond response and so on.Magnetostrictive materials have an immeasurable applied prospect in smart devices.A considerable coupling effect among mechanical field，magnetic field，thermal field，electrical field is therefore being a relevant concern in the applications of magnetostrietive devices.Motivated by the need to promote a more efficient design process and higher performance achievement of development of materials，devices and system designs.GMM is a kind of new type of functional material，which has been used to design and fabricate many intelligent devices such as active vibration absorbers，linear motors，micro-pumps，micro-valves，and micro- positioners etc. Terfenol-D than piezoceramic material has more superior performance. Key words：giant magnetostrictive material，working chracteristic，preparation technique,nonlinear，transducer，displacement actuator
设计材料及加工工艺（章节总结）
第一章概论 1.1设计与材料 纵观人类的进化史，与人类的生活和社会发展密不可分的有很多因素，其中材料的的开发、使用和完善就是其中之一。 材料是人类生产各种所需产品和生活中不可缺少的物质基础。可以说我们生活的周围任何物品都离开材料。 材料科学的发展，使产品形态产生了根本变化，材料的发展，更是推动了人们生活的进步。 1.2产品造型设计的物质基础 材料在产品造型设计中，是用以构成产品造型，不依赖于人的意识而客观存在的物质，所以材料是工业造型设计的物质基础。 工艺：材料的成型工艺、加工工艺和表面处理工艺。是人类认识、利用和改造材料并实现产品造型的技术手段。 材料与工艺是设计的物质技术条件，与产品的功能、形态构成了产品设计的三大要素。而产品的功能和造型的实现都建立在材料和工艺上。 1.3材料设计 1.材料设计的内容 产品造型中的材料设计，以“物—人—环境的材料系统为对象，将材料的性能、使用、选择、制造、开发、废弃处理和环境保护啊看成一个整体，着重研究材料特性与人、社会、环境的协调关系，对材料的工学性，社会性、经济性、历史性、生理性、心理性和环境性等问题进行平衡和把握，积极评价各种材料在设计中的使用和审美价值，是材料的特性和产品的物理功能和犀利功能达到高度的和谐统一，是材料具有开发新产品和新功能的可行性，并从各种材料的质感中获取最完美的结合和表现，给人以自然，丰富、亲切的视觉和触觉的综合感受。产品造型的材料选择中，我们不仅要从材料本身的角度考虑材料的功能特性，还要考虑整个材料设计系统。 材料设计的方式 出发点：原材料所具有的特性与产品所需性能之间的比较。 两种主要方式：(从产品的功能用途出发，思考如何选择和研制相应材料(从原料出发，思考如何发挥材料的特性，开拓产品的新功能，甚至创造全新的产品。 材料与产品的匹配关系 产品设计包含功能设计、形式设计，在产品设计中都要匹配。 材料性能的三个层次：核心部分是材料的固有性能；中间层次世人的感觉器官能直接感受的材料性能；外层是材料性能中能直接赋予视觉的表面性能。 产品功能设计所要求的是与核心部分的材料固有性能相匹配，而在产品设计中除了材料的形态之外，还必须考虑材料与使用者的触觉、视觉相匹配。 1.4设计材料的分类 1.按材料的来源分类：①天然材料②技工材料③合成材料④复合材料⑤智能材料或应变材料按材料的物质结构分类：①金属材料②无机材料③有机材料④复合材料 按材料的形态分类：①线状材料②板状材料③块状材料 1.5材料特性的基本特性 从材料特性包括:①材料的固有特性，即材料的物理化学特性②材料的派生特性，即材料的加工特性材料的感觉特性和经济特性。 特性的综合效应从某种角度讲决定着产品的基本特点。 1.5.1材料特性的评价 材料特性的评价：①基础评价，即以单一因素评价②综合评价，即以组合因素进行评价。
《设计材料与工艺》课程教学大纲 一、课程目标与教学任务 在工业产品造型设计中，造型材料与加工技术和设计的关系十分密切。优秀的设计只有通过合适的材料和加工技术得以实现。通过本课程的学习，使学生全面了解常用材料的性能、加工工艺及其应用范围，能从经济、实用、美观等诸因素出发，合理选用各种不同的材料，了解具有良好前景的新材料、新工艺，了解材料表面加工工艺及面饰处理，为正确设计出能给人以物质和精神享受现代化工业产品打基础。 本课程的主要任务是培养学生 （1）了解常用材料的性能及其加工工艺； （2）产品设计中合理选择材料的能力。 （3）了解具有良好前景的新材料、新工艺。 （4）了解材料表面加工工艺及面饰处理工艺。 二、课程内容与基本要求 第一章：概论 主要内容：介绍本课程的学习方法，了解材料与设计关系、掌握材料的发展史以及设计材料的分类。 教学要求：了解设计材料的发展史、设计材料的分类。 重点难点：如何使学生了解学习材料的重要性，调动学习热情。 第二章：设计材料的一般性能 主要内容：了解设计材料的固有特性和设计材料的派生特性。 教学要求：了解性能的概念。 重点难点：性能在设计中的运用。 第三章：设计材料感觉特性的运用 课程英文名 Materials and Technique for Industrial Design 课程编号 B0102510 课程类别 专业课 课程性质 限选 学 分 2 总学时数 32 开课学院 数字媒体与艺术设计 开课教研室 艺术设计 面向专业 工业设计 开课学期 5 完成实现课程与毕业要求对应关系表中的能力要求 系统掌握本专业领域的基础理论知识
超磁致伸缩材料及其应用 13新能源（01）班 张梦煌 1305201026 超磁致伸缩材料（GMM）是一种在室温和低磁场条件下，就能产生很大磁致伸缩应变的新型功能材料，具有输出力大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出应变大等优点，在智能系统中具有广泛的应用前景，其力学响应行为涉及变形场、磁场、涡流场、温度场相互耦合问题，直接关系到智能系统的性能指标和可靠运行。目前人们已经设计并制造出各种智能结构和器件，如:主动减振装置、高精度线性马达、超磁致伸缩微泵、微阀门、微定位装置等等，使得磁致伸缩材料在众多的功能材料中备受瞩目。超磁致伸缩材料Terfenol-D与压电陶瓷材料相比具有更优越的性能。 超磁致伸缩材料(giant magnetostrietive material，简写为GMM)是A.E.Clark 等人于70年代发现的，是一种新型的功能材料，它能有效地实现电能与机械能的相互转换。由于具有应变值大、电能一机械能转换效率高、能量传输密度大、高响应速度等特点，该材料已引起广泛的注意，并逐步开始应用于声纳、超声器件、微位移控制、机器人、流体器件中。表1.1给出了电磁场，变形场和温度场之间能量转换的不同效应。形状记忆合金和压电陶瓷都已在航空航天结构中被用于控制和制动。形状记忆合金非常适合用在高冲程量、低带宽的领域中，例如旋翼叶片的飞行追踪。而压电陶瓷适用于低冲程量、高带宽的情形，例如被安置在直升飞机的后缘襟翼上以降低较高的谐波振动。 磁致伸缩材料可以提供机械能和磁能之间的转化，其带宽在30KHz左右，低于电致伸缩材料和压电陶瓷，但高于形状记忆合金。在过去的几年中，能产生大于0.001应变的磁致仲缩材料受到广泛的关注，这主要是因为这种材料非常适合应用在一些需要较大驱动力和较小位移的领域，如可变形表面，主动振动控制和精确制造等等，在商业应用中也可以产生巨大的经济效益。磁致伸缩器件由于其独特的功能优势在许多危险工作条件和高温环境下性能出众，并且能够在低频磁场下调节应力和位移。相对于电致伸缩材料和压电陶瓷，磁致伸缩材料的优势
《产品设计的材料与工艺》教学大纲 课程编号：1072043 总学时：48 学分：3 开课对象：工业设计课程类别：专业选修课 课程英文译名：Material and technology of Product Design 一、课程性质与教学目标 （一）课程性质和基本目标 产品设计的材料与工艺是艺术设计专业的一门专业选修课，设计学科是一门艺术与科学交叉融合与应用性强的新学科，设计是人类的需求与目的、材料的工艺结构、技术的原理组合、造型的审美形式等重要因素构成的一个完整的系统，不可分割，相关的材料与工艺知识是设计的重要因素和基础。 本课程通过理论讲课和实践联系相结合的课程教学，使学生能理解常见的材料的性质及其加工手段，合理应用材料知识解决设计问题，在产品设计中能选择适当的材料和加工工艺，运用材料的属性体现产品所需要具备的特征。 （二）课程对能力素质培养的作用 让学生掌握与产品设计相关的各种常见材料的性能、加工、成型和表面处理技术；培养学生能够合理应用材料知识来解决设计问题，在产品设计中能选择适当的材料和加工工艺； 二、学时分配表 三、教学内容和基本要求 第一单元: 课程概述 基本要求: 了解本课程的基本内容、性质和学习方法，为更有效地学习后面的内容打下基础。 节序单元内容学时数
1·1 课程性质、学习目的、学习内容与学习方法 1 1·2 材料工艺与设计的关系 1 第二单元：金属材料及工艺 基本要求: 对金属材料及其加工工艺有一定的了解，并对设计中常用的金属材料有较好的掌握；结合设计实践，使学生在设计中对金属材料及其工艺选用有一定的体验。 节序单元学时数 2·1 金属材料概述、金属分类、一般性质 1 2·2 产品设计中常用金属 1 2·3 金属成型工艺 8 2·4 金属表面工艺 2 第三单元：陶瓷与玻璃及其工艺 基本要求: 能够在熟练掌握陶瓷、玻璃材料的性质与工艺的基础上，学会在设计实践中合理地选用玻璃、陶瓷材料。 节序单元内容学时数 3·1 陶瓷材料及其工艺 3 3·2 玻璃材料及其工艺 3 3·3 产品设计中陶瓷、玻璃产品应用的例子 2 第四单元：塑料橡胶及其工艺 基本要求: 使学生在熟练掌握塑料、橡胶的特性及工艺的基础上，学会在设计实践中科学选用塑料、橡胶及其工艺。 节序单元内容学时数 4·1 塑料概述 1 4·2 塑料的分类以及常见塑料 4 4·3 塑料成型工艺 4 4·4 塑料后期工艺 2 4·5 橡胶及其工艺 1 第五单元：木材以及木作工艺 基本要求:让学生在了解木材及竹子特性与工艺的基础上，使学生在设计中对木材及竹子材料及其工艺选用有一定的体验。 节序单元内容学时数 5·1 木材概述 1 5·2 常用木材 4 5·3 木材工艺 5 5·4 竹材工艺 1 第六单元：复合材料及其工艺 基本要求: 在熟练掌握符合材料特性及其工艺的基础上，学会如何科学选用各种复合材料及其相应工艺，并通过设计实践加强动手能力，进一步领悟设计选材的适应性原则。 节序单元内容学时数 6·1 复合材料概述 1 6·2 玻璃钢及碳纤维复合材料 1 第七单元：新材料及其工艺
二谈电致、磁致伸缩材料功能及应用 一、电致伸缩材料 在外电场作用下电介质所产生的与场强二次方成正比的应变，称为电致伸缩。这种效应是由电场中电介质的极化所引起，并可以发生在所有的电介质中。其特征是应变的正负与外电场方向无关。在压电体中（见压电性），外电场还可以引起另一种类型的应变；其大小与场强成比例，当外场反向时应变正负亦反号。后者是压电效应的逆效应，不是电致伸缩。外电场所引起的压电体的总应变为逆压电效应与电致伸缩效应之和。对于非压电体，外电场只引起电致伸缩应变。电介质在电场作用下发生弹性形变的现象。是压电效应的逆效应。因电介质分子在电场中发生极化，沿电场方向排列的分子相互吸引而引起。当场强大小发生周期性变化时，能引起材料沿电场方向发生振动。若在电介质材料(如钛酸钡等)两端所加交变电压的频率与材料的固有频率相同时，材料将发生共振。 （1）电致伸缩效应与压电效应 电致伸缩效应也是一种基本的机—电耦合效应，但是对它的实研究开展得较迟，因为电致伸缩是个二次效应，通常由其产生的形变非常小，给实验带来了困难，因此人们对它不太熟悉。 众所周知，电介质晶体在外电场作用下应变与电场的一般关系式 =?+??式中，第一项表示逆压电效应;d为压电系为: S d E M E E 数，第二项表示电致伸缩效应;M为电极伸缩系数，它是由电场诱导极化而引起的形变与电场平方成正比。逆压电效应仅在无对称中心晶
体中才有;而电致伸缩效应则为所有电介质晶体都有，不过一般说来它是很微弱的。压电单晶如石英、罗息盐等它们的压电系数比电致伸缩系数大几个数量级，结果在低于IMV/m的电场作用下只看到第一项的作用，即表现为压电效应。 在一般铁电陶瓷中，电致伸缩系数比压电系数大，在没有极化前虽然单个晶粒具有自发极化但它们总体不表现净的压电性。在极化过程中净的极化强度被冻结(即剩余极化)并产生一个很强的内电场，如BaTIO。陶瓷净的剩余极化产生一个27MV/m的内电场，这样高的内电场起了电致伸缩效应的偏压作用，因此极化后陶瓷在弱外电场作用下产生宏观线性压电效应。一般铁电陶瓷的电场与应变曲线呈蝴蝶形而不表现出电致伸缩效应的二次方曲线。如图1所示。 但是，只要有这样一些铁电陶瓷室温刚好高于它的居里点，不具有自发极化、没有压电性，介电常数又很高在外电场作用下能被强烈地感应极化伴随产生相当大的形变，就有可能表现出纯的大电致伸缩效应呈现出抛物线形的电场—应变曲线。
1、金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。 2、金属材料的使用性能是指材料在使用过程中表现出来的性能，它包括机械性 能、物理性能和化学性能等。 3、金属材料的工艺性能是指材料对各种加工工艺适应的能力，它包括铸造性 能、压力加工性能、焊接性能和切削加工性能等。 4、根据载荷作用性质不同，载荷可分为静载荷、冲击载荷、疲劳载荷等 三种。 5、材料按照其化学组成可以分为金属材料、非金属材料、复合材料和有机材料四类。 6、材料基本性能包括固有特性和派生特性。 7、材料的工艺性能包括切削加工工艺性能、铸造工艺性能、锻造工艺性能、焊接工艺性能、热处理工艺性能等。 8、工业产品造型材料应具备的特殊性能包括感觉物性、加工成型性、表面工艺性和环境耐候性。 9、钢铁材料按化学组成分为钢材、纯铁和铸铁；其中钢材按化学组成分为碳素钢和合金钢。 10．铸铁材料按照石墨的形态可分为可锻铸铁、灰口铸铁和球墨铸铁三种。 11、变形铝合金主要包括锻铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和防锈铝合金。 12、金属制品的常用铸造工艺包括砂型铸造、熔模铸造和金属型铸造等。 13、金属材料的表面处理技术包括表面改质处理、表面精整加工和表面被覆处理。 14、塑料按照其重复加工利用性能可以分为热塑性塑料和热固性塑料。 15、塑料制品的成型工艺主要包括吹塑成型、挤塑成型、吸塑成型、注塑成型等。 16、陶瓷材料根据其原料、工艺和用途，可以分为传统陶瓷和近代陶瓷两 大类。 17、陶瓷制品的工艺过程一般包括原配料、坯料成型和窑炉烧结三个主 要工序。 18、陶瓷制品的坯体成型方法主要有压制成型、可塑成型和注浆成型三种。
19、陶瓷制品的旋压成型可以分为覆旋旋压法和仰旋旋压法两种。 20、日用陶瓷制品可以分为陶器、瓷器和炻器。其中陶器的气孔率和吸水率介于炻器和瓷器之间。 21、玻璃按用途可分为日用器皿玻璃、技术用玻璃、建筑用玻璃、和玻璃纤维四大类。 22、玻璃的加工工艺包括原料装配、加热熔融、成型加工、热处理和表面装饰。 23、玻璃成型工艺包括压制、拉制、吹制、压延、浇注和结烧等。 24、锻造是利用手锤锻锤或压力设备上的模具对加热的金属抷料施力，使金属材料在不分离条件下产生变形，以获得形状尺寸和性能符合要求的零件。 25、金属焊接按其过程特点可分为3大类：熔焊、压焊、钎焊 26、金属切削加工可分为钳工和机械加工两部分。 27、木材与其他材料相比，具有多孔性、各向异性、湿涨干缩性、燃烧性和生物降解性等独特性质。 28、木材在横切面上硬度大，耐磨损，但易折断，难刨削，加工后不易获得光洁表面。 29、塑料的基本性能：质轻比强度高，优异的电绝缘性能，减摩耐磨性能好，优良的化学性能，透光及防护性能，减震消音性能好，独特的造型工艺性能，良好的质感和光泽度。 30、塑料的挤出成型也称挤压模塑和挤塑，它是在挤出机中通过加热，加压而使物料以流动状态连续通过挤出模成型的方法。 31、按照陶瓷材料的性能功用可分为普通陶瓷和特种陶瓷两种。 32、玻璃的熔制过程分为：硅酸盐的形成，玻璃的形成，澄清和均化，冷却。 33、金属材料的表面处理技术包括表面改质处理、表面精整加工和表面被覆处理。 34、金属件的连接工艺可以分为机械性连接、金属性连接和化学性连接三种类型。 35、涂料由主要成膜物质、次要成膜物质和辅助材料三部分组成。
磁致伸缩材料在功能材料中的应用 摘要：磁致伸缩材料是一种重要的功能材料，当改变外磁场时磁致伸缩材料的长度及体积均会发生变化，反之当材料发生变形或受力时材料内部的磁场也会随之发生变化。它具有电磁能和机械能相互转换的功能，是声呐换能器的重要材料，在大桥桥梁减震、油井探测、海洋探测与开发、高精度数字机床、微位移传感器、高保真音响等方面有着广泛的用途。 关键字：磁致伸缩材料，功能材料 1.特性 磁致伸缩材料(图1)的重要特点是具有磁致伸缩效应——即磁体在外磁场中被磁化时，其长度及体积均发生变化的现象[1]，它由焦尔发现，所以又称焦尔效应。稍后，维拉里又发现了磁致伸缩的逆效应，即铁磁体在发生变形或受到应力的作用时会引起材料磁场发生变化的现象，这种现象也称为铁磁体的压磁现象。磁致伸缩效应可分为线磁致伸缩和体积磁致伸缩，其中长度的变化称为线性磁致伸缩，体积的变化称为体积磁致伸缩。在绝大部分磁性体中，体积磁致伸缩很小，实际的用途也很少，因此大量的研究工作和磁致伸缩材料的应用主要集中在线磁致伸缩领域，因而通常讨论的磁致伸缩是指线磁致伸缩。使用材料长度的变化量与原长度的比值λ，也就是磁致伸缩系数来表示磁致伸缩量的大小，它的单位是ppm(10-6)，即百万分之一，伸缩范围通常为几十到几千ppm。磁致伸缩量虽然用肉眼无法观察到，但却在换能器和传感器上有着强大的用途。图2是磁致伸缩示意图。 图1 磁致伸缩材料 图2 磁致伸缩示意图 2.分类 自从发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能器件与设备。为此人们研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主要有三大类：(1)传统磁致伸缩材料，包括磁致伸缩的镍基合金、铁基合金和铁氧体，其磁致伸缩系数λ值较小，使得它们没有得到推广应用；(2)20世纪末发展的以Tb-Dy-Fe和SmFe材料为代表的稀土金属间化合物超磁
设计材料及加工工艺 （章节总结） 第一章概论 设计与材料 纵观人类的进化史，与人类的生活和社会发展密不可分的有很多因素，其中材料的的开发、使用和完善就是其中之一。 材料是人类生产各种所需产品和生活中不可缺少的物质基础。可以说我们生活的周围任何物品都离开材料。 材料科学的发展，使产品形态产生了根本变化，材料的发展，更是推动了人们生活的进步。 产品造型设计的物质基础 材料在产品造型设计中，是用以构成产品造型，不依赖于人的意识而客观存在的物质，所以材料是工业造型设计的物质基础。 工艺：材料的成型工艺、加工工艺和表面处理工艺。是人类认识、利用和改造材料并实现产品造型的技术手段。 材料与工艺是设计的物质技术条件，与产品的功能、形态构成了产品设计的三大要素。而产品的功能和造型的实现都建立在材料和工艺上。 材料设计 1.材料设计的内容 产品造型中的材料设计，以“物—人—环境的材料系统为对象，将材料的性能、使用、选择、制造、开发、废弃处理和环境保护啊看成一个整体，着重研究材料特性与人、社会、环境的协调关系，对材料的工学性，社会性、经济性、历史性、
生理性、心理性和环境性等问题进行平衡和把握，积极评价各种材料在设计中的使用和审美价值，是材料的特性和产品的物理功能和犀利功能达到高度的和谐统一，是材料具有开发新产品和新功能的可行性，并从各种材料的质感中获取最完美的结合和表现，给人以自然，丰富、亲切的视觉和触觉的综合感受。 产品造型的材料选择中，我们不仅要从材料本身的角度考虑材料的功能特性，还要考虑整个材料设计系统。 材料设计的方式 出发点：原材料所具有的特性与产品所需性能之间的比较。 两种主要方式：(从产品的功能用途出发，思考如何选择和研制相应材料(从原料出发，思考如何发挥材料的特性，开拓产品的新功能，甚至创造全新的产品。 材料与产品的匹配关系 产品设计包含功能设计、形式设计，在产品设计中都要匹配。 材料性能的三个层次：核心部分是材料的固有性能；中间层次世人的感觉器官能直接感受的材料性能；外层是材料性能中能直接赋予视觉的表面性能。 产品功能设计所要求的是与核心部分的材料固有性能相匹配，而在产品设计中除了材料的形态之外，还必须考虑材料与使用者的触觉、视觉相匹配。 设计材料的分类 1.按材料的来源分类：①天然材料②技工材料③合成材料④复合材料⑤智能材料或应变材料 按材料的物质结构分类：①金属材料②无机材料③有机材料④复合材料 按材料的形态分类：①线状材料②板状材料③块状材料 材料特性的基本特性
超磁致伸缩材料研究现状 超磁致伸缩材料Terfenol-D是本文研究中应用的重要材料，有必要介绍一下，尤其关于材料在本文研究中的本构关系。 1.1 超磁致伸缩材料介绍 超磁致伸缩材料是基于铁磁材料在磁场下产生磁致伸缩的一种性能十分优异的智能材料，他的独特性主要来源于显著的的伸长率（100-1000倍）和高能量密度（10-50倍）。第一次由 A.E.Clarck等人在常温下研制出超磁致伸缩材料Td x Dy1-ХFe2[41,42,43]（也被成为Terfenol-D），最初阶段材料在磁力学特性上重复率低、造价高、不清楚的操作条件限制了其在实际设备上的应用发展,随着制造技术的发展以及大量学者的广泛研究[44]，其优越的性能越来越显著，广泛应用于各类作动器、传感器、换能器[45,46]。 表2-1 Terfenol-D、Ni、PZT性能比较 性能参数Terfenol-D Ni PZT 饱和磁致伸缩系数10-61500～2000 -40～-35 100～600 机电耦合因数0.7～0.75 0.16～0.3 0.45～0.72 能量密度（KJ/m3）14～25 0.03 0.65～1.0 能量转换效率﹪49～56 9 23～52 响应时间10-6s ＜1.0 10 密度（kg/m3）9250 8900 7490 声速（m/s）1640～1940 4950 3130 相对磁导率3～10 60 居里温度/℃380～387 ＞500 130～400 应力输出（Mpa）30 1 15 为了比较，在表2-1[44,47,48,49]列举了超磁致伸缩材料的基本物理性质和压电材料PZT及镍的性质。很容易可以看出，与PZT相比超磁致伸缩材料展现出10倍到20倍的位移，15倍到25倍的能量密度，10倍以上的响应时间。如今，超磁致伸缩材料具体的优势有：高磁弹性、磁针伸缩量大、通过控制成分可选择的正负磁致伸缩、居里温度高、对于疲劳失效有非常低的磁化系数、通过磁场的非接触驱动、低电压驱动、高能量密度、较小磁滞、快速响应、可控的温度特性、频率特性好、磁机转换效率高、输出应力大[44,47,50,51,52]。当然超磁致伸缩材料也有他的劣势，比如：磁场驱动的必要性、由线圈产生焦耳热、高频涡流损耗、耐腐蚀性差、价格昂贵[12,44,53]。
超磁致伸缩材料及其应用研究 ＊ 李松涛 孟凡斌 刘何燕 陈贵峰 沈 俊 李养贤 (河北工业大学材料科学与工程学院 天津 300130) 摘 要 稀土超磁致伸缩材料是一种新型稀土功能材料.文章概述了超磁致伸缩材料(GMM )的研究历史;对比了一种实用的超磁致伸缩材料(Terfenol -D )和压电陶瓷材料(PZT )的性能;阐述了超磁致伸缩材料当前在以下两个方面取得的研究进展:(1)关于工艺方法的研究:包括直拉法、区熔法、布里奇曼法和粉末烧结、粘结等方法;(2)关于材料组分的研究:包括对Fe 原子的替代研究以及开发轻稀土超磁致伸缩材料的研究.文章最后叙述了超磁致伸缩材料的应用领域,以及发展我国稀土超磁致伸缩材料的意义.关键词 超磁致伸缩,稀土金属间化合物 Giant magnetostrictive materials and their application LI Song -Tao MENG Fan -Bin LI U He -Yan CHEN Gui -Feng SHEN Jun LI Yang -Xian (Scho o l o f M ate rial Sci enc e &Engi nee rin g ,He bei Uni ver sit y of Tech no lo gy ,Tian jin 300130,C hin a ) Abstract Rar e -earth giant magnetostrictive materials (GMM )are a type of ne w functional mater ials .A br ief de -scription is given of the histor y of giant magnetostrictive materials ;and their char acteristics are compared with those of piezoelectr ic mater ials .Curr ent research developments are descr ibed ,in particular :(1)fabrication technology ,in -cludingthe Czochraski ,FSZ ,Bridgman ,po wder -sintering and powder -bonding methods ;(2)c omposition studies of GMM ,including the substitution for Fe in RFe 2and exploitation of light rare -earth GMM .Applications and the impor -tance of GMM researc h in China are r eviewed . Key words giant magnetostr iction ,rar e -earth -transition inter metallics ＊ 国家自然科学基金(批准号:50271023)和教育部科学重点 (批准号:02017)资助项目 2004-03-23收到初稿,2004-06-07修回 通讯联系人.E -mail :ad mat @js mail .h eb ut .edu .cn 1 磁致伸缩效应简介 1842年,焦耳(Joule )发现沿轴向磁化的铁棒,长度会发生变化,这种现象称为磁致伸缩效应,又称为焦耳效应[1],从广义讲包括顺磁体、抗磁体、铁磁体以及亚铁磁体在内的所有磁性材料都具有磁致伸缩性质.但是顺磁体、抗磁体材料的磁致伸缩值很小,实际应用价值不大;而对于部分铁磁性及亚铁磁性材料,磁致伸缩值较大,数量级可以达到103ppm ,具有很高的实用价值,引起研究人员的重视. 磁致伸缩材料的应用主要涉及到以下几种效应: (1)磁致伸缩效应(焦耳效应):材料在磁化状态改变时,自身尺寸发生相应变化的一种现象.磁致伸缩有线磁致伸缩(长度变化)和体磁致伸缩 (体积变化)之分,其中线磁致伸缩效应明显,用途广,故一般提到的磁致伸缩都是指线磁致伸缩. (2)磁致伸缩的逆效应(Villari 效应):对铁磁体材料施加压力或张力(拉力),材料在长度发生变化的同时,内部的磁化状态也随之改变的现象.(3)威德曼效应(Wiedemann )效应:在被磁化了的铁磁体棒材中通电流时,棒材沿轴向发生扭曲的现象. (4)威德曼效应的逆效应(Matteucci 效应):将铁磁体棒材绕轴扭转,并沿棒材的轴向施加交变磁场时,沿棒材的圆周方向会产生交变磁场的现象.
设计材料与工艺 课程编码：9 学时：32学时 适用专业：电脑艺术设计 一、课程概述 （一）课程性质 《设计材料与工艺》是由多领域、多元化的不同专业相互交叉、渗透、纵横联系在一起的设计科学。材料与工艺是装饰设计的物质基础和客观主体。教学要求学生掌握装饰设计中所涉及的材料及相关工艺的基本理论和技能，课程整合了陶艺、浮雕、扎染、壁挂等传统工艺美术中的精华部分，融合现代装饰艺术中所有涉列到的材料种类与工艺方法，使艺术设计作品有了实实在在的物质基础和表现方法。为以后平面设计、广告设计、环境艺术设计从业打下良好的基础。共32个学时。 （二）课程定位 《设计材料与工艺》是本专业的专业选修课，是艺术设计系的特色课程，是学生掌握艺术设计方面的基本理论知识，培养动手能力和创新思维而设置的一门课程，它在基础课与专业课之间起着承上启下的作用。 它的前导课程有：三大构成、图形与图案、素描、色彩，后继课程有：室内设计、书籍装帧、展示设计、广告设计等。 （三）课程设计思路 专业的特点决定了材料与工艺的实践成了教学的主要手段和形式，并贯穿整个教学的始终。理论课程讲授（约占40％学时）：使学生各类材料设计的原则及方法，形成基本的理论认识框架、掌握基本的材料设计技能。 作品制作模块（约占40％学时）：通过对陶艺、木器等传统工艺材料的把握，使学生掌握不同材料的表现技法和性能，用传统的手法来表达现代的设计理念； 设计制作深化模块（约占10％学时）：借助具体的材质表达与技术方法使设计思路进一步延伸，以此了解材料及构造做法的实际意义，整合设计与材料材质、技术课程的内在关系。设计作品表达及评价与反馈模块（约占10％学时）：将学生作业成果的表达、分析、评价、总结纳为日常教学进度中的一个重要的环节点，使设计制作各环节中的问题能基本解决。根据课程内容的具体特点，我们采用了灵活多样多层次的教学方法，包括：模块教学——各个知识点的学习以模块能力要求为指标，以模块标准为知识点考核标准。 项目任务驱动教学——以项目任务有效完成作为教学的目标，课堂教学和实践教学围绕项目任务的解决而展开。 案例分析教学方法——通过对于不同的艺术设计方案分析和讲解典型案例，可以引导学生举一反三，更好地达到以理论指导实践的目的。 讲练结合教学——教师边讲解边演示，师生同步操作，深入剖析工艺方法与技巧。 二、课程目标 （一）总体目标 本课程的教学目的定位在通过对材料和工艺的亲身体检，体会材质的美感和特性，培养学生的创新思维和动手能力。 （二）具体目标 通用能力：