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磁致伸缩材料的研究及应用磁致伸缩材料是一种可以在磁场作用下产生机械变形的智能材料。
其具有较大的应变及较快的响应速度等特点，在微机电系统、智能结构及磁医学等领域具有广泛的应用前景，因此其研究也备受关注。
一、磁致伸缩材料的发展历程磁致伸缩材料最早可以追溯到1920年代的石英研究。
1936年，日本学者桥本秀夫首次制备了一种新型材料，被称为“Jiles-Atherton效应”，并用于磁控制装置。
20世纪60年代，磁致伸缩材料得到进一步的发展和研究。
在经过多年的努力之后，现今的磁致伸缩材料已经达到了伸缩应变高达1%、响应速度在毫秒级别的水平。
二、磁致伸缩材料的基本原理磁致伸缩材料的基本原理是，当材料处于磁场中时，其晶格结构会发生变化，从而导致材料的形状发生变化。
这种形变可以表现为伸长或缩短，称为磁致伸缩效应。
磁致伸缩材料可分为单晶磁致伸缩材料与多晶磁致伸缩材料两种。
单晶磁致伸缩材料具有单向形变性，对于单向应力或单向磁场作用下，只表现为一个方向的伸长或缩短。
多晶磁致伸缩材料则可以在不同方向上产生不同程度的形变。
三、磁致伸缩材料的应用1. 微机电系统（MEMS）磁致伸缩材料在微机电系统中的应用已经开始取得一定的成果。
其最大的应用是作为驱动器件，用于数字微镜、精密运动控制器等领域。
2. 智能结构磁致伸缩材料作为一种智能材料，可以被应用于各种智能结构中。
例如，可用于便携式电力工具的紧固装置、智能森林高压输电线路的调整系统等。
3. 磁医学磁致伸缩材料在磁医学领域也具有潜在的应用价值。
例如，用于放大磁共振成像（MRI）的灵敏度以及用于制造人工肌肉。
四、磁致伸缩材料的发展与前景磁致伸缩材料所具有的高响应速度、灵敏度、大应变、无需外部电源等特点，使得其在各个领域有广泛的应用前景。
未来，随着科技进步和生产技术的发展，磁致伸缩材料将会在更多领域中得到应用。
同时，更多的磁致伸缩材料类型也将逐渐被研发出来，以满足不同领域对于材料性能的要求。
[综述 专论]DOI :10.3969/.j i s sn .1005 2895.2011.01.收稿日期:2010 11 08;修回日期:2010 12 10基金项目:国家自然科学基金资助项目(50975256);浙江省自然科学基金重点资助项目(Z1080537);国家教育部博士点基金资助项目(20070335204)。
作者简介:宣振兴(1982),男,浙江义乌人,助理工程师,主要从事产品质量鉴定工作。
E m ai :l x uanz x1982@yahoo .co m.c n超磁致伸缩材料发展动态与工程应用研究现状宣振兴1,邬义杰2,王慧忠1,张 雷2(1.浙江省计量科学研究院,浙江杭州 310011;2.浙江大学现代制造工程研究所,浙江杭州 310027)摘 要:为了反映超磁致伸缩材料的国内外研究现状,对超磁致伸缩材料发展历程和性能特点进行了阐述。
在详细调研基础上,较全面地介绍了国内外超磁致伸缩材料在各工程领域的应用以及发展状况。
通过分析其历史沿革和最新成果,对未来的发展方向进行了展望,并对其应用潜力领域进行了预测。
图2参26关 键 词:材料学;超磁致伸缩材料;现状;应用;发展方向中图分类号: 文献标志码:A 文章编号:1005 2895(2011)01 0116 04Develop m ent and Applications R esearch on G i antM agnetostrictive M ateri alsXUAN Zhen x ing 1,WU Y i jie 2,WANG Hu i z hong 1,Z HANG Le i2(1.Zhe jiang P rov i nce Instit ute o fM etro l ogy ,H angzhou 310011,Ch i na ;2.Institute ofM anufac t ur i ng Eng i neer i ng ,Zhe ji ang U niversity ,H angzhou 310027,China)Abst ract :To report the current situati o n of g iant m agnetostrictive m ateria ls (GMM )at ho m e and abroad ,thedeve l o pm enta l h i s tory o f GMM is rev ie w ed and its good perfo r m ance is descri b ed .The status quo of app licati o n and deve l o pm ent of G MM i n d ifferent eng i n eeri n g fields at ho m e and abroad is presented by the sur vey syste m atica ll y .Theapp lication and developm ent o fGMM i n future is discussed.The fields where GMM has a huge po tenti a l use are also esti m a ted .[Ch ,2fi g .26re.f ]K ey words :m aterials ;g iant m agnetostrictive m ateria ls ;current situation ;applicati o n ;the d irecti o n for the futuredeve l o pm ent 1 问题的提出超磁致伸缩材料(G iant M agnetostricti v e M ateria,l 简写为G MM )是一种新型的功能材料,在室温下具有极大的磁致伸缩应变,典型代表为Terfeno l D,其饱和磁致伸缩系数 s 一般大于3.0 10-5。
Fe-Ga合金磁致伸缩性能研究进展摘要：与稀土磁致伸缩材料Tefernol-D相比，Fe-Ga合金具有饱和磁场低、磁导率高、强度高、脆性小和温度特性好等特点，其潜在的应用范围更为广泛，尤其适用于强震动、大负荷、强腐蚀等较为恶劣的工作环境。
本文重点介绍了Fe-Ga 合金磁致伸缩的变形机制、制备工艺、合金成分、微观结构及性能等方面的研究进展。
关键词：Fe-Ga合金磁致伸缩研究进展0 引言磁致伸缩材料由于具有磁一弹耦合系数大、输出应力大、机械响应快、稳定性强等优良特性，在机器人、汽车、制动器、传感器、换能器、位移控制器、高能微动力装置、声学、磁学等领域呈现出重要的使用价值及广阔的应用前景。
从应用的角度看，具有良好工业应用前景的磁致伸缩材料一般应具有以下几个方面的特征：磁致伸缩系数大，能将更多的磁能转化为机械能；驱动磁场较小，能在较低的磁场下实现较大的磁致伸缩应变；居里温度较高，能广泛应用于各种高温环境；材料成本较低，制备工艺简单。
目前被广泛应用的磁致伸缩材料是以Terfenl-D为代表的稀土金属间化合物，它们的磁致伸缩值一般在(1000～2000)×10−6之间，但是由于在一般应用中需要较高的磁场，而且本身比较脆，另外由于重稀土Tb、Dy价格昂贵，生产成本较高，限制了Terfenl-D的应用。
以Heusler合金Ni2MnGa为代表的铁磁形状记忆合金由于兼有热弹性马氏体相变应变和磁控形状记忆效应，其磁控形状记忆效应兼具输出应变大、响应频率快等特点，因而在磁致伸缩材料方面也有较广阔的应用前景。
但该合金居里温度较低、所需驱动磁场大、材料脆性高等，不能很好地满足实际应用需要，国内外许多研究小组正在采取替代、掺杂、改进制备工艺等方法来积极改进该材料的性能，但仍不太理想。
近几年研究人员发现，在Fe中加入非磁性元素Ga能使其磁致伸缩系数增加十倍乃至几十倍，纯铁的磁致伸缩系数仅20×10−6左右，而加入Ga之后，其单晶体沿〈100〉晶向的饱和磁致伸缩系数达到400×10−6。
磁致伸缩材料磁致伸缩材料是一类具有磁致伸缩效应的功能材料，它们在外加磁场的作用下能够产生形变。
这种材料在现代工程技术中具有广泛的应用前景，包括在传感器、执行器、声学器件等方面。
磁致伸缩材料的研究和应用已经成为材料科学和工程领域的热点之一。
磁致伸缩效应是指在外加磁场的作用下，材料会发生明显的形变。
这种效应主要是由于材料内部的磁畴结构发生改变所导致的。
在外加磁场的作用下，材料内部的磁畴会重新排列，从而引起材料的形变。
这种形变可以是线性的，也可以是非线性的，具体取决于材料的性质和外加磁场的强度。
磁致伸缩材料的研究始于上个世纪，随着材料科学和工程技术的发展，磁致伸缩材料的种类和性能得到了极大的提升。
目前，常见的磁致伸缩材料主要包括铁氧体、镍基合金、铁-铝合金等。
这些材料具有良好的磁致伸缩性能，可以在外加磁场的作用下产生较大的形变，因此被广泛应用于各种领域。
磁致伸缩材料的应用非常广泛，其中最为重要的应用之一就是在执行器领域。
由于磁致伸缩材料在外加磁场的作用下能够产生形变，因此可以用于制造各种类型的执行器，如电磁阀、电磁泵、电磁马达等。
这些执行器具有体积小、响应速度快、能耗低等优点，因此在自动控制系统中得到了广泛的应用。
此外，磁致伸缩材料还可以用于制造传感器。
由于磁致伸缩材料在外加磁场的作用下会产生形变，因此可以用于制造各种类型的传感器，如应变传感器、压力传感器、位移传感器等。
这些传感器具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好等优点，因此在工业自动化、航空航天、医疗器械等领域得到了广泛的应用。
总的来说，磁致伸缩材料是一类具有重要应用前景的功能材料，它们在执行器、传感器等方面具有广泛的应用前景。
随着材料科学和工程技术的不断发展，相信磁致伸缩材料的研究和应用会得到进一步的推广和深化，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
新型材料磁致伸缩效应的机械应用研究磁致伸缩效应是指材料在磁场的作用下发生形变的现象，这一现象在新型材料中具有广泛的应用前景。
本文将探讨磁致伸缩效应在机械应用领域的研究进展，并分析其潜在的应用前景。
首先，我们来了解一下磁致伸缩效应的基本原理。
磁致伸缩效应是由于材料中的磁电耦合效应而产生的。
当外加磁场作用在材料上时，磁场将改变材料内部的磁化程度，从而引起材料的形变。
一般来说，材料在磁场方向上会发生伸长，而在垂直于磁场方向上会发生压缩。
这种磁致伸缩效应可以被应用于制造各种机械装置和器件。
接下来，我们将重点关注磁致伸缩效应在机械应用领域的研究进展。
近年来，许多研究机构和企业对磁致伸缩效应进行了深入的研究，并取得了一系列令人瞩目的成果。
例如，在机械领域，磁致伸缩效应可以用于制造微型机械致动器。
这些致动器可以通过外加磁场来控制其长度，从而实现微小机械装置的控制和调节。
此外，磁致伸缩效应还可用于制造精密测量仪器和机械元器件。
磁致伸缩材料在磁场作用下的形变可以实现微米级的位移控制，从而可用于制造高精度的位移传感器和驱动装置。
这些装置在航空航天、光电子、精密加工等领域中具有广泛的应用前景。
在机械应用领域中，磁致伸缩效应还可以应用于制造智能材料和智能结构。
智能结构是指具有感知、反应和自适应能力的结构，它能够根据外界环境条件的变化自动调整其性能。
磁致伸缩材料可以作为智能结构的重要组成部分，利用其磁致伸缩效应来实现结构的形状控制和性能调节。
这一领域的研究目前仍处于初级阶段，但已经显示出巨大的潜力。
尽管磁致伸缩效应在机械应用领域的研究取得了一系列重要的成果，但仍然存在一些挑战和问题需要解决。
首先，磁致伸缩材料的制备和加工需要较高的成本和技术要求。
其次，磁致伸缩效应的稳定性和可靠性需要进一步改善，以满足实际应用的需求。
此外，磁致伸缩材料的长期使用性能和耐久性也需要进行更加深入的研究。
综上所述，磁致伸缩效应在机械应用领域具有广泛的应用前景。
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 applicationLI 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 .cn1 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.(5)ΔE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.正是由于上述效应的存在,磁致伸缩材料才能广泛应用于超声波、机器人、计算机、汽车、致动器、控制器、换能器、传感器、微位移器、精密阀和防震装置等领域[2].2 超磁致伸缩材料的研究历史在焦耳发现磁致伸缩现象后的一个世纪里,人们一直在努力探索实用的磁致伸缩材料,但是大部分材料的磁致伸缩值只有10-6—10-5数量级,仅相当于热膨胀系数.直到1940年,Ni和Co的多晶(Ni,Co-Ni,Ni-Fe,Fe-Co)材料出现后,磁致伸缩材料才得到实用化,磁致伸缩约为40ppm,主要应用于超声波换能器.1950年,发现了Alfer Fe-13%Al合金,它的磁致伸缩值达到100ppm,磁致伸缩材料的研究取得了一定进展.但是早期的磁致伸缩研究大部分是关于噪声的,如1954年Hunt发现放置在通有交变电流的线圈附近的永磁体会发出声音;日常生活中的老式日光灯镇流器会发出的低鸣声,都是磁致伸缩效应在交变磁场下的表现.20世纪60年代,Legvold[3],Clar k[4]和Rhyn[5]等致力于稀土类磁致伸缩材料的研究,并取得较大进展.该类材料的磁致伸缩值比一般材料要大上百倍,因此称为超磁致伸缩材料.一般来讲,超磁致伸缩材料包括稀土金属、稀土-过渡金属间化合物及其非晶薄膜合金、稀土氧化物和锕系金属化合物,其中只有MgCu2型Laves相金属间化合物RFe2(R代表稀土元素)及其非晶薄膜以其居里温度高、室温磁致伸缩值大而倍受研究人员的关注.室温超磁致伸缩材料的研究始于20世纪70年代,Clar k等人[6]系统研究了稀土-过渡族金属(Ni,Co,Fe,Al,Mn)化合物,发现具有MgCu2型Laves相结构的RFe2合金具有较大的室温磁致伸缩值.但是该材料的磁晶各向异性能很高,各向异性常数达到106J/m3数量级,仅被当作永磁材料的候选者.后来,研究人员发现RFe2的各向异性常数具有正负号,于是利用符号相反的RFe2相互补偿来获取较低磁晶各向异性能的磁致伸缩材料.1974年, Clark等人[7]成功地发现了赝二元金属间化合物Tb0.27Dy0.73Fe2合金,它具有磁致伸缩值高、居里温度高、磁晶各向异性能小等优点,目前Terfenol-D牌号的超磁致伸缩材料(Tb x Dy1-x Fe2)已经商品化应用.如今,稀土超磁致伸缩材料像稀土磁光材料、稀土永磁材料和稀土高温超导材料一样,成为人们广泛关注的又一新型稀土功能材料.3 超磁致伸缩材料T erfenol-D的优点目前,在各种致动器件中广泛应用的是压电陶瓷材料,然而Terfenol-D材料较压电陶瓷材料具有更优越的性能:(1)室温磁致伸缩值更大,单晶材料应变值达1500ppm以上,比传统压电陶瓷材料高数倍.(2)居里温度高,适用于高温环境.当环境温度高过居里温度时,磁致伸缩性能只会暂时消失,待冷却到居里点后,磁致伸缩性能完全恢复;而压电陶瓷在工作温度以上会极化而永久失效.(3)输出应力大,在外加预应力条件下,磁致伸缩还存在跳跃效应.(4)能量转换效率高,机电耦合系数可达到0.8.(5)超磁致伸缩材料可承受高达200MPa的压力,能适用于高压力的执行器、大功率的声学换能器等,而压电陶瓷无法承受较大的压应力.(6)驱动电压低,只需几伏电压驱动,远低于压电陶瓷几千至几万伏高压驱动.(7)响应速度快,对磁场和应力几乎即时响应,可用于快速执行器.(8)频率特性好,频带宽.表1 超磁致伸缩材料Terfenol-D与压电陶瓷材料物理性能对比材料特性Terfenol-D材料压电陶瓷材料应变值(ppm)1500800声速(m/s)1700—2600—产生应力(kg/c m2)300150居里温度(℃)380℃±40180℃±100机电耦合系数0.80.7响应速度μs级ms级4 超磁致伸缩材料当前的研究热点和进展4.1 关于制备工艺的研究〈111〉方向是T erfenol-D材料的易磁化方向,也是磁致伸缩系数最大的方向.因此生长〈111〉方向的单晶是获得大磁致伸缩材料的途径之一.磁致伸缩材料单晶或取向晶体的生长方法主要有直拉法、悬浮区熔法和布里奇曼法等等.直拉(Czochraski)法是将籽晶与熔融金属接触,以一定速度拉出,依靠固液界面张力将熔化金属提出后凝固生成单晶的晶体生长方法.该方法要求高的真空度和高纯度的原料,拉出的晶体成分偏差较大,目前只用于实验室研究.悬浮区熔(Free-standing-zone)法是将母合金棒放入悬浮区熔装置中,由感应线圈提供一定宽度的熔区,棒相对于感应线圈上下移动,母合金经过熔化-凝固过程后得到孪晶或定向多晶的方法.悬浮区熔法避免了坩埚对原材料的污染,元素烧损少,轴向成分和性能比较均匀.此方法适用于生产小尺寸的棒材.布里奇曼(Bridgman)法是将熔体置于底部尖端的坩埚内,熔体通过水冷结晶器作用,缓慢生成单晶的方法.该方法生成的棒材磁致伸缩性能略差,但是可以一次浇注多根不同尺寸、不同形状的棒材,适合大规模生产,目前已经商业化应用.目前,研究者在单晶和取向晶体的制备工艺上取得了很大的进展,如北京科技大学周寿增教授、北京航空航天大学蒋成保教授等成功制备出[1-10][8]、〈113〉[9]和[112][10]取向的TbDyFe磁致伸缩材料.由于T erfenol-D合金凝固时晶粒的择优生长方向为〈112〉和〈110〉,且在晶体生长过程中容易出现包晶反应、组分过冷,生长〈111〉方向的单晶很难.1995年,中国科学院物理研究所吴光恒研究员采用直拉法首次生长出〈111〉方向的T er fenol-D单晶[11],其自由样品磁致伸缩值达1800ppm;在6MPa 压力和2kOe(1Oe=79.5775A/m)磁场作用下,该单晶最大磁致伸缩值为2375ppm[12].由于制备单晶和取向晶体的成本高,且需要根据实际应用对单晶进行切割处理[13],造成很大浪费,更不能制备大尺寸和形状复杂的磁致伸缩应用元件.于是研究者借鉴了永磁材料制备中的烧结和粘结技术.如利用磁场取向成型法[14],将Terfenol-D 粉末制成晶粒沿磁场方向取向的压结体,然后在一定的温度(950—1050℃)下烧结12h,使晶粒长大.在14kOe下,该烧结体材料的磁致伸缩值达到1067ppm.Clark等用粉末粘结法[15]制备了ErFe2和TbFe2的粉末粘结体,其中在磁场下固化的TbFe2粘结体,饱和应变达到1185ppm.另外研究者还研究了不同胶含量和粉体粒径对磁致伸缩性能的影响[16,17].烧结和粘结方法虽然降低了磁致伸缩系数,却能够制备大尺寸异形元件,具有很高的实用价值.4.2关于超磁致伸缩材料组分的研究目前稀土超磁致伸缩材料组分的研究主要集中在以下两个方面:4.2.1 对RFe2结构中Fe原子的替换研究人员用Ni,Co,Mn,Al取代RFe2中的Fe 后发现,Mn的替代[18]显著降低了磁晶各向异性能,磁致伸缩值增大;而Ni,C o的替代未见明显的效果,Al的替代虽然降低了磁致伸缩,但同时略微降低了饱和场[19].另外少量的非金属B的掺杂可促进成相和提高磁致伸缩[20,21].4.2.2 开发含轻稀土的超磁致伸缩材料对于T erfenol-D而言,限制其推广的一个原因是重稀土价格昂贵.因此,价格低廉的轻稀土超磁致伸缩材料成为又一研究热点.这方面的工作开始主要集中在含Sm和Pr的化合物上[22,23].由于具有与TbFe2相比拟的室温磁致伸缩,SmFe2首先引起研究者的重视.但SmFe2的磁致伸缩值是负的,应用范围较小.因此可能使用的材料是含Pr的化合物,但是由于Pr的原子半径较大,常压下不能合成含有较高浓度Pr的Laves相材料.研究发现,Ce原子具有较高的结合能,Ce的掺入能够提高Laves相金属间化合物中Pr的浓度[24].因此研究含有Pr,Ce轻稀土的超磁致伸缩材料具有重要的研究价值.对于含轻稀土Pr的Laves相金属间化合物的研究[25,26],发现Pr0.15Tb0.75Dy0.25Fe2取向材料λ=2200ppm(H= 10kOe),磁致伸缩性能比无Pr替代的Tb x Dy1-x Fe2高出约400ppm.根据单离子模型,CeFe2和PrFe2在0K下的磁致伸缩值分别达到6000和5600ppm,分别远大于TbFe2、DyFe2的4400和4200ppm.然而低温条件下CeFe2磁致伸缩系数仅为60ppm.原因在于CeFe2中稀土Ce离子表现为+3.29价,而不是+3价,因此,获得表现为+3价的Ce基化合物有可能获得大磁致伸缩材料.唐成春博士研究了含Ce的Laves相金属间化合物,通过对材料的晶体学、磁学性质的分析,系统地研究了Ce的变价行为,证明Ce向+3价的波动确实对磁致伸缩有贡献[27—31],在Ce基轻稀土超磁致伸缩材料研究方面取得较大的进展.5 超磁致伸缩材料的应用领域超磁致伸缩材料和压电陶瓷材料在军事、电子、机械等领域有着重要的应用.利用电磁能和机械能的有效转换,磁致伸缩材料和压电陶瓷材料可以制成众多先进器件,如声/水声学器件、力学器件、执行器件、换能器件等.近年来,随着超磁致伸缩材料的不断开发和应用,已形成了替代压电陶瓷的趋势.超磁致伸缩材料的用途可分为以下几个方面.5.1 声学方面声信号是水下通信、探测、侦察和遥控的主要手段.声纳装置的核心元件是压电材料和磁致伸缩材料.声纳发射的声波频率越低,声信号在水中的衰减就越小,传播的距离就越远.同时,宽频带响应可以提高声信号的分辨率.超磁致伸缩材料T er -fenol -D 与压电陶瓷材料PZT 相比具有输出功率大、低频特性好、工作温度范围大、低电压驱动等优点,从而在声纳系统中得到广泛的应用.用Terfenol -D 制成的超声波发生器在捕鱼、海底测绘、建筑和材料的无损探伤方面也有很好的应用前景[32].图1是超磁致伸缩材料的应用原理图.由驱动线圈提供磁场,T erfenol -D 棒材的长度会发生变化,从而将电能转换成声波或机械能输出.另外超声振动能够使液体瞬间产生大量气泡并破裂,产生局部的高温、高压和机械振动,于是人们用超磁致伸缩材料制成了大功率超声换能器,用于超声清洗、加工和分散等领域.图1 超磁致伸缩材料应用原理5.2 传感器和电子器件利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩大、响应速度快的特点,超磁致伸缩材料可以制成位移、力、加速度的传感器,还可以用于与磁场有关的物理量测量.Chung 等利用T erfenol -D 设计了一个磁致伸缩型二极管激光磁强计[33],对90Hz 的交变磁场,具有0.2m Oe 的分辨率,而一般商用磁强计只有1m Oe 的分辨率.5.3 微控制领域利用超磁致伸缩材料应变随磁场变化以及响应速度快的特点,超磁致伸缩材料可制成精密致动器、控制阀门和高速阀门的驱动元件,用于精确定位、微动马达和精密阀门等方面,如分辨率达nm 级的微位移执行器和微小步进达微弧度的旋转马达[34].超磁致伸缩材料可应用于燃料注入系统,实现对燃料的精确、瞬时控制,以达到燃料充分燃烧,减少污染的目的,目前已经应用于汽车等内燃机.5.4 阻尼减震系统根据磁致伸缩材料机械响应快、能够将机械能转变成磁能的特点,ABB 等几家公司设计了阻尼减震系统,并预见了磁致伸缩材料用于未来的交通工具的减震技术.该系统由Terfenol -D 伺服阀控制液压柱,取代弹簧和减震器,根据微机信号进行反应,使用该减震系统的交通工具在行驶时会十分平稳.超磁致伸缩材料制成的元件在功率、响应频率、低压效果、可靠性等方面的优势引起了世界各国的重视.美国海军早在20世纪70年代就开始了水下超磁致伸缩材料的研制工作;日本海洋科技中心与NKK 电子工业公司开发了用于音响层X 射线照相术的超磁致伸缩低频声纳换能器;东芝公司试制了超磁致伸缩低频小型扬声器,超磁致伸缩材料已经进入民用阶段.人们仍在努力探索室温超磁致伸缩材料应用的新领域.6 结束语高性能的超磁致伸缩材料是现代技术所必须的重要功能材料之一,它的广泛应用将导致一系列控制和执行元件的革命.高技术产业的迅速发展,对稀土超磁致伸缩材料的需求日益增大.据有关专家预测,用于超声波器件的超磁致伸缩材料,在美国一年需要 0.5—1in (1in =2.54cm )圆棒约10000in .用于油压机、机器人等的超磁致伸缩材料在美国市场每年约6亿美元;用超磁致伸缩致动器取代传统压电致动器的市场更加可观.稀土超磁致伸缩材料中稀土占有相当大的比例,以原子百分浓度计达33%以上.我国是一个稀土大国,超磁致伸缩材料又有广阔的市场和应用前景,所以开展稀土超磁致伸缩材料的研究,开展多学科的交叉研究,拓展超磁致伸缩材料的应用,对推动我国稀土事业的发展和提高科技水平将产生深远的影响.参考文献[1]钟文定.铁磁学(中).北京:科学出版社,1987.21[Zhon g W D .Ferromagn etics (Ⅱ).Beijin g :Science Press 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教授领导的研究组发明了一种超声装置可放在客车上对火车铁轨的裂缝进行探测.过去超声径迹探测设备必须要安装在特殊的火车上才能进行工作,这种火车的速度要保持在每小时20—30英里.而现在的新装置是可以在一般快速疾驶的载人客车上使用,车速可达到每小时200英里.它还可以连续地、常规地检查刚出现的铁轨的裂纹.新的超声技术可以探测到离铁轨表面15mm 深处的裂纹缺陷,另外它还可以测量出裂纹的“量规角(gauge -corner )”,所谓的量规角经常发生在动的车轮与铁轨端点相接触处.由量规角裂缝引起的径迹故障常常是许多意外事故发生的原因;例如2000年10月发生在英国的火车脱轨事故也是由此产生的,该事故造成四位乘客伤亡.安装在火车上的探测器,它能产生“低频、宽带的瑞利波”.多种频率的声波将沿着铁轨表面快速地传播,不同频率的波可以穿透到离铁轨表面的不同深度.低频波一般能穿透15mm 左右.若声波在碰到铁轨内的裂缝时,其中的部分将会被阻截,这时稍稍有一部分声波会发生反射,从而被探测器测定,根据各种波的频率大小就可以测出裂缝的精确位置与深度.初步的试验结果表明,这项新技术还可以检测铁轨内部微结构的变化和应力的分布.这对于识别裂纹的敏感变化有极大的好处.当然为了能证实上述的各种能力,还需要进行一系列的实验工作,特别是要把探测从实验室的条件转变到真正的实际客车上去作试验.(云中客 摘自Issue of Insight The Journal of the British Institute of Non -Destructive Testing ,June 2004)。
磁致伸缩材料的制备及其应用研究
磁致伸缩材料是一种独特的材料，它具有在磁场作用下发生形变的能力。
该材
料是由一种复杂的晶体结构组成，其中的结构可以随着外界磁场的变化而发生改变。
制备磁致伸缩材料需要经过复杂的化学和物理加工过程。
首先是材料的选择，
磁致伸缩材料主要由金属、合金和氧化物等材料制成。
然后，需要通过高温熔炼、高压制备等方法制备、处理合金或氧化物。
然后进行物理生长，可以采用单晶生长或薄膜制备的方式。
最后需要进行一些物理实验，如X射线衍射、扫描电子显微
镜等。
磁致伸缩材料的应用非常广泛，其中最常见的应用是在磁致伸缩传感器方面。
磁致伸缩传感器是一种用于测量位移和力量的传感器，它可以测量非常小的变化，同时具有高精度、高灵敏度的特点，因此被广泛用于工业自动化和机器人控制等领域。
此外，在医学和航空航天等领域也有着广泛的应用，如用于人体生理信号的检测和空间设备的驱动控制等。
除此之外，磁致伸缩材料还有着其他特别的应用。
例如，在噪声控制领域，磁
致伸缩材料可以用于防振和噪声衰减，可以在建筑结构和车辆上使用。
在电磁阀和电子发射管等电子器件中，磁致伸缩材料也有着重要的应用。
需要注意的是，磁致伸缩材料虽然具有许多优点，但也有其缺点。
例如，磁致
伸缩材料的应变受限于磁场强度，因此它只能用于较小的应力和位移。
总的来说，磁致伸缩材料是一种非常重要的材料，它在各个领域都有着广泛的
应用。
因此，磁致伸缩材料的研究和开发还需要进一步加强。
未来，我们可以预见，随着技术的发展，磁致伸缩材料的应用领域还将会继续扩大。
