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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。
H2、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。
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。
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.1 The magnetic domain under the effect of external magnetic fieldoccurrence of rotation and lead to change size magnets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[。
1 超磁致伸缩材料1.1 产生磁致伸缩效应的机理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]2[。
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s H 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s H 时，样品主要表现为体积磁致伸缩。
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的示意图如图1所示]1[。
[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。
薄膜型超磁致伸缩微执行器的研究现状注意：本文已在《压电与声光》(2000,22(3):157～159,167)杂志发表，使用者请注明文章出处贾振元武丹杨兴郭东明郭丽莎(大连理工大学机械工程学院 116024)摘要超磁致伸缩薄膜是一种性能优良的新型微驱动元件，在查阅大量文献的基础上，介绍了超磁致伸缩薄膜驱动的原理，综述了薄膜型超磁致伸缩微执行器的开发和最新研究成果，重点介绍了薄膜型超磁致伸缩微执行器在微流体控制系统中的应用，在线性超声微马达中的应用和在微小型行走机械中的应用，并对超磁致伸缩薄膜在微执行器中的发展提出了展望。
关键词超磁致伸缩微执行器薄膜分类号TP2420引言微型机电系统技术是一个新兴的技术领域,而微执行器又是复杂微机电系统的关键技术之一.常用的微执行器根据其驱动方式可分为压电式、静电式、形状记忆合金驱动等。
压电式和静电式微执行器是目前应用较广泛的微执行器，它们具有精度高、不发热、响应速度较快等优点，但输出力小、驱动电压高等缺点也限制了它们的应用；而形状记忆合金虽然是已知的功能材料中变形量最大的，但它的响应速度较慢，且变形不连续，因而也限制了其应用。
超磁致伸缩材料是一种新型高效的磁（电）—机械能转换材料，具有应变大、能量密度高、机电藕荷系数大、响应速度、输出力大等优点。
从其诞生开始，便引起了工业界的重视，已广泛地应用于减震、阀门控制、微定位、机械传动机构、振动器、传感器及声纳系统等方面。
近年来，在磁致伸缩应用领域又出现了一个新的研究热点—超磁致伸缩薄膜的研究与应用。
许多研究者采用溅射方法在非磁性基片上制备了稀土—过渡金属非晶薄膜，并对薄膜的结构和磁致伸缩特性进行了研究，发现磁致伸缩薄膜具有良好的软磁性能，磁晶各向异性值低，在室温和低磁场下能产生很大的磁致伸缩应变。
与通常的体磁致伸缩材料相比，超磁致伸缩薄膜的制造过程容易和传统的半导体工艺联系起来,因而成本较低,并且由于薄膜中的二维磁弹性相互作用使超磁致伸缩材料又具有一些新的功能,这对于超磁致伸缩材料的实际应用具有重要意义.可以说，正是由于超磁致伸缩薄膜材料的种种优点，决定了其在微型执行器中有着不可估量的发展前景。
超磁致伸缩材料及其应用一、超磁致伸缩材料基本概况1．研究背景20世纪80年代,人们提出智能材料的概念以来,有关智能材料的机理研究、智能材料的制备研究以及以智能材料为基础的智能系统与结构的基础与应用研究已成为当前力学、物理、材料、电子、机械及信息等学界的重大基础及应用课题,并已取得了大量卓有成效的研究,形成了"智能系统科学与技术"这一新兴的多学科交叉的高技术领域。
它不仅用在国防和航空航天等高技术领域,而且在民用工业及生产活动中也发挥着重要的作用。
智能材料系统与结构中智能材料是关键,它是一种能通过系统调节材料自身各种功能并对外界复杂环境条件发生变化做出反应而发挥主动功能作用的材料,即具有感知环境变化和对外部环境做出反应的能力。
其中,一类是对外界的刺激强度具有感知,如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等;一类是对外界环境条件发生变化做出响应。
它们可以和控制电路、接口电路、数据通信及电源系统于一体,实现能量之间的转换,制作出各种各样的传感功能和执行功能的智能器件。
目前,智能材料具有驱动功能作用的主要有压电材料、电致伸缩材料、形状记忆合金材料、磁致伸缩材料和电(磁)流变液等。
表1.1所示为几种智能材料基本性能。
表1.1 几种常用功能材料基本性能指标超磁致伸缩材料作为一种新型智能材料,其优良的磁致伸缩特性及潜在的应用前景在高技术领域得到普遍的重视,成为智能材料及其应用设计中的一种重要单元。
2.超磁致伸缩的发展1842年著名物理学家焦耳首先发现:在磁场中,铁磁材料由于磁化状态的改变会引起其长度或体积发生微小变化，这种现象就称为磁致伸缩，也称焦耳效应。
其中，材料在磁化过程中伴有晶格的自发变形，会沿磁化方向发生伸长或缩短的现象，称为线磁致伸缩;体积发生膨胀或收缩的现象称为体积磁致伸缩。
一般的，由于体积磁致伸缩发生在材料达到饱和磁化以后，且体积磁致伸缩比线磁致伸缩要微弱得多，实际用途又非常少，在测量和研究中考虑得很少，因此工程上的磁致伸缩均指线磁致伸缩。
《超磁致伸缩微机械悬臂梁系统的理论研究》篇一一、引言随着微机电系统（MEMS）技术的不断发展，超磁致伸缩材料在微机械领域的应用越来越广泛。
超磁致伸缩微机械悬臂梁系统作为一种典型的微机械结构，具有高灵敏度、快速响应和低能耗等优点，在微纳操作、传感器和执行器等领域具有广泛的应用前景。
本文旨在深入探讨超磁致伸缩微机械悬臂梁系统的基本理论，为相关研究提供理论支持。
二、超磁致伸缩材料概述超磁致伸缩材料是一种具有大磁致伸缩系数的智能材料，其磁致伸缩效应源于材料的磁畴结构变化。
与传统的压电材料相比，超磁致伸缩材料具有更高的能量转换效率和更大的位移输出能力。
此外，超磁致伸缩材料还具有响应速度快、稳定性好等优点，因此在微机械系统中得到了广泛应用。
三、超磁致伸缩微机械悬臂梁系统结构与工作原理超磁致伸缩微机械悬臂梁系统主要由超磁致伸缩材料制成的悬臂梁、驱动器、传感器等部分组成。
当施加磁场时，超磁致伸缩材料发生磁致伸缩效应，使悬臂梁产生弯曲变形。
通过控制驱动器的电流，可以实现对悬臂梁变形的精确控制。
同时，传感器可以实时监测悬臂梁的变形情况，将变形量转换为电信号输出。
四、系统理论模型与分析方法为了深入研究超磁致伸缩微机械悬臂梁系统的性能，需要建立相应的理论模型和分析方法。
首先，根据系统的结构和工作原理，建立数学模型，描述系统的输入输出关系。
其次，采用有限元分析方法对系统进行仿真分析，得到系统的动态响应和静态特性。
此外，还可以采用实验方法对理论模型进行验证和优化。
五、系统性能分析通过对超磁致伸缩微机械悬臂梁系统的性能进行分析，可以了解系统的灵敏度、响应速度、能耗等关键指标。
首先，系统的灵敏度取决于超磁致伸缩材料的性能和悬臂梁的结构设计。
其次，响应速度与驱动器的电流控制策略密切相关。
此外，系统能耗也受到材料性能、工作状态和环境温度等因素的影响。
因此，在系统设计过程中，需要综合考虑这些因素，以实现最优的系统性能。
六、应用领域与展望超磁致伸缩微机械悬臂梁系统在微纳操作、传感器和执行器等领域具有广泛的应用前景。
!第"#卷!第$期%&#%年$月中国材料进展'()*+,(-./0,1(2345"#!135$(675%&#%收稿日期 %&#%8#9基金项目 科技部:9"计划项目 %&#%/;<#:$&$ 作者简介 刘敬华 男 #:9=年生 博士 讲师通信作者 蒋成保 男 #:<=年生 教授 博士生导师巨磁致伸缩材料及应用研究进展刘敬华 张天丽 王敬民 蒋成保北京航空航天大学材料科学与工程学院 北京#&&#:#摘!要 巨磁致伸缩材料是%&世纪9&年代发展起来的新型功能材料 具有应变大 能量转换效率高等优点 在功能转换智能驱动 智能传感等高技术领域有重要应用 简要介绍了磁致伸缩及巨磁致伸缩材料的发展历史 从稀土巨磁致伸缩材料 非稀土巨磁致伸缩材料的合金化研究 制备技术和应用技术等方面综述了我国巨磁致伸缩材料的发展历程 介绍了我国的科研工作者在巨磁致伸缩材料研究领域所取得的重要研究成果 最后对巨磁致伸缩材料发展及应用进行了展望关键词 巨磁致伸缩材料 磁致伸缩 合金化 制备 应用中图分类号 >$=%5?$ );"$!!文献标识码 (!!文章编号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合金具有最佳的室温性能 被称为)L 7O L C34Z ]合金$8?%&&&年以来 /4G 7^等人发现了[L I G [L ;L等新[L 基非稀土磁致伸缩材料 具有低场大磁致伸缩和良好的力学性能 <89 其中[L I G 合金被命名为I G 4O L C34合金发展到今天 巨磁致伸缩材料已经形成一类重要的金属智能材料 并引发了电子信息系统 传感系统 振动系统等高技术的革命性变化 在巨磁致伸缩材料的发展过程中 我国的科研工作者取得了一批重要的研究成果 本文主要综述我国在稀土巨磁致伸缩材料和新型非稀土巨磁致伸缩材料的基础研究及应用研究方面的进展!稀土巨磁致伸缩材料5 ! 磁致伸缩材料的合金化研究在单晶)L 7O L C34Z ]中用(4取代[L 使其晶格常数增加 居里温度降低 各向异性补偿温度提高%&\ ###从#5&#a #&8"增加到#5?$a #&8" = 添加少量;可以有效抑制对磁致伸缩有害的![L "相形成 进而提高合金的磁致伸缩性能 : 'C 取代[L 虽然合金的相组成仍然是主相-G S L Q 相和少量富稀土相 但饱和磁致伸缩Q 饱和磁化强度$Q 和磁晶各向异性%#降低#&中国材料进展第"#卷用b 7取代)M 或]T 使各向异性补偿成分点向高)M方向移动#成分为)M &5%?]T &5<?b 7&5#[L #5=?的合金磁致伸缩达到最大值(##)%对]T &59%8")M "b 7&5"![L &5:;&5#"#5:"!&!"!&59&"合金#"从&5#?增加到&5%?#易磁化方向从c #&&d 轴向c###d 轴转变%具有单相-G S L Q 相的)M &%?]T &5$?b 7&5"![L &5:;&5#"#5:"合金在室温具有大的自发磁致伸缩! ###"#=?&a #&8<"和低的各向异性(#%)%(4#I G #/7#'C 等元素取代)M &5%?]T &5<?b 7&5#[L #5=?中的[L 均能保持-G S L Q 相结构#但居里温度和磁致伸缩性能下降(#"8#?)%b 7含量高达稀土总量=&e 的!)M &5%b 7&5="Z![L &5$/3&5<"#5:"8";"磁致伸缩合金(#<)#其-G S L Q 相的居里温度和晶格常数随硼含量的增加而增加#少量的硼能降低合金的磁晶各向异性#从而改善室温低场磁致伸缩性能%北京航空航天大学通过改变)M[L %和]T [L %的比例#同时添加高居里温度元素/3(#98#:)#同步实现了易轴转变温度的降低和居里温度的提高#从而显著拓宽了材料磁致伸缩性能优异的菱形相区#成功研制了宽温域巨磁致伸缩合金#在8=&`f #&&g 范围内都保持了高的磁致伸缩性能!如图#所示"#温度系数是传统)M &5"]T &59[L #5:?合金的#h "%此外#研究表明#添加/3并没有改变合金的易磁化方向#超精细电子结构研究揭示了/3元素添加导致"R 电子层填满状态的改变(%&)%图#!)M]T [L /3合金在8=&g #"&g 和#&&g 的磁致伸缩曲线[B D 5#!'G D CL P 3Q P 7B N P B 3C N F7S L Q 3O )M]T [L /3G 443T Q K L G Q F7L RG P8=&g #"&g G CR #&&g)M]T [L 合金的电阻率过低#仅仅为<&!"*N K #即使在低频下也会有涡流发生#严重限制了其实际应用%.B 元素添加能大幅提高其电阻率%.B 含量为"_&5&%?和"_&5#的铸态合金电阻率比未添加.B 的)M]T Z [L 三元合金分别提高了<<e 和:9e #而c ##&d 取向晶体的电阻率略小于铸态(%#)%此外#在.B 合金化的基础上#通过合理的成分设计#实现了合金元素选择性分布控制#使合金保持主相-G S L Q 相不变以保证大磁致伸缩效应#同时.B 元素选择性地进入富稀土!相可提高耐腐蚀性#从而开发了耐腐蚀巨磁致伸缩材料(%%)#在磁致伸缩性能基本相当的情况下#耐腐蚀性能提高#&倍!如图%所示"%电极化曲线和阻抗测量表明#腐蚀电流下降?倍#阻抗提高#倍%第一原理计算结果表明#.B 元素添加使稀土元素费米面附近电子能量显著降低#从而降低了腐蚀速率%图%!在"5?e1G /4水溶液中的浸泡实验表明#)M]T [L .B 合金比)M &5"]T &59[L #5:?合金的耐蚀性明显增强[B D 5%!J L B D EP 43Q Q N F7S L Q 3O )M]T [L .B G 443T S Q Y )M &5"]T &59[L #5:?G 443T B C "5?e 1G /4Q 34FP B 3C)M]T [L 合金的磁致伸缩性能具有较宽的滞后特征#主要来源于其较大的磁晶各向异性能%添加03可有效降低合金的磁晶各向异性能#进而显著降低磁致伸缩应变滞后磁场(%"8%$)%合金依然具有-G S L Q 单相结构#晶格常数随03含量增加而减小%在03含量小于&5"e 时#通过调整)M 和]T 元素的比例#)M]T [L 03合金在较宽的温度范围均具有窄滞后巨磁致伸缩特性%"5"!)*'(体系磁致伸缩材料的合金化研究钢铁研究院戴礼智等人是我国开展磁致伸缩材料研究的先驱之一#他们在.K Z [L 合金中加入'3和2#用i 射线衍射研究了合金中-G S L Q 相金属间化合物的磁致伸缩与结构之间的关系以及在磁致伸缩上引起的晶格畸变(%?)%稀土元素取代.K 元素对.K [L 合金的内禀性能及磁致伸缩性能影响显著%对于.K #8"]T "[L 合金#当"c &5#?时易磁化方向为c ###d #当"d &5$时易磁化方向为c#&&d #合金的磁致伸缩随]T 含量的增加而降低(%<)%b 7取代.K 后.K #8"b 7"[L %的磁致伸缩在"_&5#时出现峰值(%98%:)%少量1R 取代.K 明显提高合金的负磁致伸缩! #8 $_8%#=9a #&8<"!如图"所示"("&8"#)%用/3#'C #(4等元素取代低场性能较好的.K &5==Z ]T &5#%[L %中的[L 元素#均降低了合金的磁致伸缩("%8"")%"5+!稀土巨磁致伸缩材料的理论研究杨森等采用同步辐射i 射线技术系统研究了)M/3%Z%!第$期刘敬华等'巨磁致伸缩材料及应用研究进展图"!.K #8"1R "[L #5??合金在不同磁场强度下的磁致伸缩曲线[B D 5"!'G D CL P 3Q P 7B N P B 3C N F7S L Q 3O .K #8"1R "[L #5??G443T Q B C RB O O L 7L CP G 664B L R K G D CL P B N O B L 4RQ]T /3%合金体系的结构和性能("$)#发现自旋再取向温度是以c ###d 方向为易轴的菱形相和以c &&#d 方向为易轴的四方相这%个准同型相的相界表示的!如图$所示"#准同型相界成分合金呈现两相共存的状态#磁晶各向异性达到完全补偿的最小值#测量结果显示磁滞后最小#而磁致伸缩性能较邻近成分的合金有一跃升#铁磁性材料中准同型相界的发现为设计新型磁致伸缩材料提供了新思路%图$!)M/3Z ]T /3合金相图及不同相区的同步辐射i +][B D 5$!b EG Q LRB G D 7G K 3O )M/3%Z ]T /3%!G"G CR Q T CN E73P 73C i +]6G P P L 7CQ 3O N FMB N6G 7G K G D CL P B N6EG Q L #7E3K M3EL R7G 4O L 773Z K G D CL P B N 6EG Q L G CR P L P 7G D 3CG 4O L 773K G D CL P B N 6EG Q L !M ")M]T [L 合金磁致伸缩的饱和值及其磁滞特性均具有明显的压应力相关性#如图?所示%对于)M]T [L 巨磁致伸缩合金中的初始磁畴位置普遍认为是仅仅在晶面内沿着易轴方向与压应力方向垂直#这难以解释饱和磁致伸缩随压应力而增大的现象%近期研究表明(##&)取向的)M]T [L 晶体垂直于应力方向的晶面中存在的应力性各向异性#会改变初始畴的构型("?)%随着压力的增大#!##&"晶面内初始磁畴从c ###d 方向转向c ##&d 方向#因而饱和磁致伸缩提高%(##&)取向的)M]T [L 取向晶体#其磁滞!磁致伸缩滞后磁场"从&'b G 的""a !#&"h $#"(*K 8#增加到"&'b G 的9&a !#&"h $#"(*K 8##而加压到#%&'b G 磁滞只有#<a !#&"h $#"(*K 8#%基于唯象理论的研究表明#磁畴旋转的不可逆性是产生滞后的根源%在低压应力范围内#随压应力增大#更多的磁畴转至应力垂直面#成为:&j 磁畴#而在磁晶各向异性能占主导的低压力阶段磁化过程中:&j 磁畴不可逆转至外场方向#压力增大#:&j 磁畴体积分数增多#因而磁致伸缩滞后增大%当所有磁畴在压应力作用下转至应力垂直面#:&j 磁畴体积分数达到#&&e #磁致伸缩滞后达到最大#继续增大压应力#磁弹性能在自由能分布中占主导地位#减小并最终消除了:&j 磁畴旋转的不可逆性#因而磁致伸缩滞后随压力继续增大而逐渐减小("<)%"5,!稀土巨磁致伸缩材料的制备技术%5$5#!稀土巨磁致伸缩材料取向晶体和单晶用定向凝固工艺#主要有提拉法$坩埚下降法和区熔法#制备出稀土巨磁致伸缩材料取向晶体或单晶是实现其优异磁致伸缩特性的关键%中科院物理所采用冷坩埚提拉法成功制备出)M]T Z [L (4#)M]T [L 'C c ###d 无孪晶单晶体("98"=)#从消除了孪晶界对磁畴钉扎作用的角度提高了合金的磁致伸缩%北京科技大学利用低温度$梯度水平炉#获得了c ##"d 轴向取向的稀土超磁致伸缩材料(":)%钢铁研究总院和有色金属研究总院采用一步法制备工艺#将熔炼$坩埚下降法晶体生长$热处理集成到一套系统中#实现了材料的量产%北京航空航天大学采用无坩埚的悬浮区熔法成功制备了c ##&d 取向)M]T 03[L 单晶体(%")#生长的固液界面为凸平面#该晶体具有优异的磁致伸缩性能#在8<&g 和#?g #外加磁场仅为?&K )时#该单晶体的磁致伸缩性能分别达到##&&a #&8<和#&?$a #&8<%使用有坩埚的定向凝固#可以避免表面张力的影响#有利于制备沿轴向性能均匀的大尺寸)M]T [L 合金取向晶体%北京科技大学和北京航空航天大学利用区熔法制备出c ##&d )M]T [L 取向晶体#北京航空航天大学制备出直径超过<&K K 的c##&d 和c##%d 取向)M #]T #8#![L #8"&""%!&_'C #/3"晶体%取向晶凝固形态为树枝状#生长速度越高#片层结构越窄%在预压力低于#&'b G 时#低磁场中室温和低温的c ##%d 取向磁致伸缩系数更大#高温时c ##&d 取向磁致伸缩系数更大($&8$")%磁场下的取向凝固#国外报道了在微重力条件下同时施加外磁场制备出c ###d 取向的)M]T [L 晶体#磁致伸缩系数可达%%&&a #&8<!'_#5?)"($$)%磁场也可以"中国材料进展第"#卷有效抑制热和溶质的传输 充分发挥扩散作用 同时在冷却过程中在材料内部感生磁有序 上海交通大学在常规重力条件下 通过施加更大的静磁场 #$&K) 获得9&e的c###d取向的)M]T[L凝固组织 $?图?!不同压应力下)M]T[L合金磁致伸缩和磁致伸缩滞后模拟[B D5?!)EL Q B K F4G P L R Q G P F7G P B3C K G D CL P3Q P7B N P B3C G CR K G D CL P3Q P7B N P B3C ET Q P L7L Q B Q FCRL7RB O O L7L CP N3K67L Q Q B S L67L Z Q P7L Q Q L Q%5$5%!稀土巨磁致伸缩薄膜材料稀土巨磁致伸缩材料薄膜具有良好的软磁特性 尤其在低场下磁致伸缩性能显著提高 是微型作动器和传感器的理想材料 制备稀土巨磁致伸缩材料薄膜的方法有磁控溅射 分子束外延 离子束溅射 离子镀等 人们通常采用磁控溅射法制备巨磁致伸缩材料薄膜 巨磁致伸缩材料薄膜分为单层膜和多层膜 采用直流磁控溅射可以获得非晶态)M]T[L薄膜 经$&&g热处理后沿薄膜表面的易磁化方向表现出磁各向异性 $<8$9 在沉积过程中加入预应力能明显提高磁各向异性为进一步提高巨磁致伸缩材料的软磁特性和低场特性 发展了巨磁致伸缩材料多层膜 多层膜一般是由巨磁致伸缩材料与其它软磁材料 如[L [L1B [L;[L/3等 交替沉积而成 每层薄膜的厚度小于磁交换长度 在磁场作用下 由于不同膜层之间的交换耦合作用 提高了平均饱和磁化强度 使多层膜的饱和磁场大幅减小 具有良好的软磁特性 $=%5$5"!烧结稀土巨磁致伸缩材料其制备方法是将一定成分的母合金破碎成粉末 在模具中压制成型 然后在保护气氛下烧结制成样品 北京科技大学从:&年代初开展了)M]T[L合金粉末冶金工艺及其对磁致伸缩性能影响的研究 主要结果包括各工艺参数对烧结态)M]T[L合金的组织 结构 密度及磁致伸缩性能的影响规律等 $:8?& 实验表明 粉末压型时的磁场取向和后续样品的磁场热处理对提高材料磁致伸缩性能具有非常重要的作用 通过这些手段制得的烧结)M]T[L合金样品为c###d取向的多晶体 其最大磁致伸缩应变可达#$&&a#&8< 样品具有明显的压力效应%5$5$!稀土巨磁致伸缩粘结复合材料针对稀土巨磁致伸缩材料力学性能差 不易加工以及在外加高频交变磁场作用下涡流损耗严重的问题 人们发展了巨磁致伸缩颗粒与树脂混合的复合材料研究表明 颗粒大小 磁场取向以及树脂粘度均对复合材料的磁致伸缩性能有重要影响 采用较大的)L7ZO L C34Z]颗粒和较低的树脂粘度有望获得较高磁致伸缩性能 在磁场下成型可以提高颗粒的择优取向度 进而提高复合材料的磁致伸缩性能 此外 固化温度对粉末$!第$期刘敬华等'巨磁致伸缩材料及应用研究进展粘结材料的密度及抗压强度有明显影响(?#)%将)M #8"]T "[L %合金粉末与粘结剂在模压压力为##%'b G 下制成 #&K Ka %&K K 或 #&K Ka $&K K 的棒状样品%研究表明#当"_&59时#合金具有较好的磁致伸缩性能%棒状)M &5"]T &59[L %合金在0_%&&^(h K #%:"\条件下的磁致伸缩约为<&&a #&8<#磁机械耦合系数最大值为&5$#动态磁致伸缩系数为%5<:CKh (#增量磁导率(""为%5=$(?%)%在%&&^(h K 静磁场下加压=&&'b G 获得了.K ]T [L h 树脂粘结复合材料#其磁化行为和磁致伸缩均表现出明显的压应力效应(?")%用颗粒尺寸9$`#?&!K #质量分数为:&e 的)M]T [L 合金颗粒制备出的复合材料在$&&^(h K 磁场下磁致伸缩性能可达9%"a #&8<(?$)%与)M]T [L 取向晶体相比#复合材料的电阻率提高了?个数量级#在"%59K )偏置磁场下声速降低#h "以上#涡流损耗因子在%a #&?0X 条件下的降幅超过:&e #在#a #&90X 的高频条件下仍可降低近?&e %采用直径为%&&`"&&!K 的)M]T Z [L 单晶颗粒#与树脂混合并在磁场取向中固化#获得了颗粒c ###d 方向定向排布的高性能粉末粘结巨磁致伸缩材料%合金颗粒在树脂中成近链状排列#如图<所示%材料在#9'b G 压力下在磁致伸缩系数达到#"<&a #&8<(??)%图<!!G "未磁场取向和!M "=&&&a !#&"h $#"(*K 8#磁场下取向的金相照片[B D 5<!)7G CQ S L 7Q L Q L N P B 3C K B N 73D 7G 6EQ 3O P EL N 3K 63Q B P L Q N F7L R G PP EL G 664B L R K G D CL P B N O B L 4R !G "&a !#&"h $#"(*K 8#G CR !M "=&&&a !#&"h $#"(*K 8#%5$5?!稀土巨磁致伸缩材料的表面改性北京有色金属研究总院采用辉光放电离子渗氮方法研究了表面氮化对!)M #]T "[L %稀土磁致伸缩材料的耐腐性能$表面机械性能及磁致伸缩性能的影响(?<)%结果发现'通过表面离子渗氮处理#可显著改善材料耐腐性能#材料表面硬度由?=9&'b G 提高到<%%&'b G #耐磨性能也大幅提高#并且材料磁致伸缩性能几乎未受影响%研究表明#表面离子渗氮是一种适用于稀土超磁致伸缩材料表面改性的方法%+!非稀土巨磁致伸缩材料近年来#科技工作者们开发出一种综合传统磁致伸缩合金和稀土磁致伸缩合金二者优点的新型磁致伸缩材料#既具有良好的力学性能又有较大的磁致伸缩性能%%&&&年#美国学者/4G 7^博士发现非磁性原子I G 的添加可以将[L 的磁致伸缩系数提高#&倍以上#引起了人们极大的关注%该材料具有低饱和磁场$高磁化强度$良好的力学性能和可加工性等#最近的应力退火研究表明#该材料可以同时应用在拉应力和压应力场合%[L I G 合金的这些特性将会拓展磁致伸缩材料在作动$传感和能量采集等方面的应用%i B CD 等人在对[L I G 合金成分及热处理过程对磁致伸缩性能的影响进行了规律性研究后#确定了磁致伸缩性能同I G 原子含量的关系曲线如图9所示(?9)#并按照合金相结构划分为$个部分'#区中的[L I G 合金在淬火条件下为无序的(%单相#磁致伸缩随I G 原子含量增加而升高#淬火态#:e !原子分数"I G 的!"h %" #&&可达到$&&a #&8<&$区为(%同]&"的两相混合区#该区域中磁致伸缩随I G 含量升高而下降&进入%区后#合金形成]&"单相#性能再次提高#当I G 原子含量为%95?e 时#由于弹模软化的结果#可以获得很高的磁致伸缩&而当I G 原子含量超过%=e 后!&区"出现不利于磁致伸缩性能的第二相#导致性能随之大幅下降%JF 采用全电势线性缀加平面波方法对[L I G 合金的磁性及磁致伸缩进行了第一原理计算#]&"#;%Z 4B ^L 及-#%"种晶体结构的磁致伸缩系数 #&&的计算值分别为8#&9a #&8<#f "=&a #&8<和8%:=a #&8<(?=)%对于[L Z I G 合金产生大磁致伸缩的原因#JF 在文章中指出#这是由[L 原子非简并的R ")和R #)轨道下自旋间的自旋轨道耦合效应所引起的#但两者的强烈作用是如何导致[L Z I G 合金产生大磁致伸缩仍未清楚%-3D 7G Q Q 3等人根据I G 原子添加后引起的[L I G 合金磁致伸缩性能较 Z [L 提高的部分#同I G 原子含量的平方成线性正比关系这一实验结论#预测在[L I G 合金中存在'3RB O B L RZ ]&"晶体结构#或可以称之为;%Z 4B ^L 结构(?:)%JFP P B D (<&)和/F44L C (<#)认为这种结构的本质是沿?中国材料进展第"#卷&&# 方向排列的I G Z I G 原子对 [L =#I G #:合金i 射线吸收光谱的测试结果证明I G Z I G 原子对存在的可能性 <% 'FRB S G 7P EB <"使用小角度中子衍射方法和\L 77显微镜发现纳米团簇与基体有不同的磁化行为图9![L I G 合金 "h % #&&同IG 原子含量的关系[B D 59! "h % #&&RL6L CRL CN L 3C I G N 3CP L CP O 37[L I G G 443T Q Y./ Q 43V Z N 334B CD Jk +)Z V G P L 7lFL CN E ,Jk B N L Z V G P L 7lFL CN E 'k K L P G 44B N lFL CN E;EG P P G N EG 7T T G 等人对[L Z #:eI G 合金进行了透射电镜观察 在(%基体相中发现弥散分布的纳米级]&"相 <$ 并认为这是[L I G 合金大磁致伸缩的来源 据此\EG N EG P F7T G C <? 等人提出了另一种模型解释[L I G 合金的巨磁致伸缩 认为]&%%Z4B ^L 的四方纳米团簇是关键因素 <<8<9 ;3B Q Q L <= 等人依据该模型对[L =#I G #:合金进行了原子尺度有序和团簇的模拟 同实验得到的高分辨像基本吻合然而JF 等人根据分别对纳米级的;%Z 4B ^L 及]&"相进行第一原理计算结果 认为纳米级的;%Z 4B ^L 相具有负的磁致伸缩性能 而纳米级的]&"相仅具有非常小的正磁致伸缩性能 据此他判断基体相中的纳米级沉淀不足以产生巨磁致伸缩效应 [L I G 合金的大磁致伸缩另有起源 <:虽然关于[L I G 合金的磁致伸缩的起源还不明朗 但人们相信[L I G 合金的磁致伸缩机理研究对开发新型磁致伸缩材料将会提供新的线索国内从%&&%年陆续报道了关于新型非稀土磁致伸缩材料的研究工作 取得了重要进展 以下主要评述国内非稀土磁致伸缩材料研究结果 +5!!'(-.磁致伸缩材料的合金化研究对[L I G 进行合金化的研究 根据添加元素类别及方式 可以分为%类 ;和/7原子固溶 过渡族元素取代方式添加 9&89$[L &5=#I G &5#: #&&8";"合金在"_#时由(%相和[L %;相组成 在"_?`%&时 由(%相 -#%相和[L %;相组成 铸态 [L &5=#I G &5#: #&&8";"合金在"_#和"_#&时具有最大磁致伸缩性能 9& 淬火态合金的磁致伸缩随;含量增加先增大后减小 其中"_#&时淬火态 [L &5=#Z I G &5#: :&;#&合金的磁致伸缩性能比[L =#I G #:合金提高了=&e 分析认为;含量低时 析出[L %;相 导致[L Z I G 合金基体中'Z ]&"相中I G 含量上升 磁致伸缩提高 ;含量高时 合金出现了过多的[L %;相和-#%相 磁致伸缩下降 同时;添加 还大幅提高了[L I G 合金的室温力学性能 抗拉强度达到?$='b G 延伸率达到"5?<e 此外 如果在[L ="I G #9合金中固溶%e 的/7原子 可同时提高合金的磁致伸缩性能和室温力学性能 [L ="I G #9:=/7%合金最大磁致伸缩系数达到9&a#&8< 延伸率较[L ="I G #9合金提高&5<e 9# 少量.B I L 或.C 取代[L =#I G #:合金中的I G 原子 合金保持(%相结构 饱和磁致伸缩值变化不大 如果添加量继续增加 因出现大量[L .C I G 非磁性相 导致饱和磁致伸缩值降低 9% 在[L =#I G #:和[L =# I G #8"I L " #:合金中还发现了明显的体磁致伸缩现象 当磁场小于&5")时 合金发生的是线磁致伸缩 大于&5")时 体磁致伸缩开始发生 9" 'C 添加对[L =#I G #:合金的电阻影响较大 'C 元素的原子百分比低于<e 时 合金仍然保持立方单相 电阻率上升 居里温度下降 当'C 含量增加到=e 时 磁致伸缩出现峰值 9$ +5"!'(-.合金的磁致伸缩特性研究[L I G 合金有良好的力学性能 可进行拉伸变形 通过拉应力退火处理可以使[L ="I G #9合金中的磁晶在生长方向择优排列 [L I G 棒c &&#d 择优生长方向的磁晶各向异性和织构中多晶条形颗粒的形状各向异性方向一致 在无外应力条件下磁致伸缩达到%&&a #&8< 在压应力下 磁致伸缩值最大变化达到#=&a #&8< 9? 如图=所示[L =#I G #:合金c &&#d 取向晶体在大载荷 &`$"#'b G 条件下具有稳定的饱和磁致伸缩 如图:所示 其磁致伸缩行为随压应力呈两阶段变化规律 9< [L =#I G #:合金c &&#d 取向晶体在不同载荷下的%个阶段磁致伸缩行为具有完全不同的物理机制 在低压应力载荷下 磁晶各向异性能主导[L I G 合金c &&#d 取向晶体的磁致伸缩行为 在大压应力载荷下 磁弹性能对[L I G 合金的磁致伸缩行为起主导作用 +5+!/0基反铁磁磁致伸缩合金'CZ * *_1B /F [L 合金是一类具有反铁磁特性的磁致伸缩材料 998=& 'C $%[L ?=合金 在#)的外磁场和#5?%'b G 的压应力下具有8?=#a #&8<的磁场诱发应变 'C =?5?[L :5?/F ?5&合金中获得了8$="a #&8< `#&a <!第$期刘敬华等'巨磁致伸缩材料及应用研究进展图=![L ="I G #9拉应力退火材料中的磁致伸缩'!G"垂直磁场测量到的磁致伸缩#!M "平行磁场测量到的磁致伸缩[B D 5=!'G D CL P 3Q P 7B N P B 3C 3O GP L CQ B 4LQ P 7L Q QP 7L G P L R Q G K 64L #K L G Q F7L R B C !G "6L 76L CRB N F4G 7G CR !M "6G 7G 44L 4K G D CL P B N O B L 4R FCRL 7S G 7B 3FQ N 3K 67L Q Q B S L 67L Z Q P 7L Q Q L Q!#&<h $#"(*K 8#"的应变%c #&&d c ##&d 混合取向的'C ?&[L ?&丝材#在#5%)磁场下具有9?&a #&8<的应变%这一类合金属于 Z 'C 基反铁磁形状记忆合金#在磁场的诱导下发生四方畸变%当马氏体相变温度$Q 与奈尔温度&1接近时#反铁磁8铁磁转变与马氏体转变发生耦合#产生了磁相变&但当$Q 与&1相差较大时#磁化时也产生了可观的反铁磁转变磁致伸缩%有观点认为可能是磁场诱发#在母相中产生了微孪晶#但缺乏实验证据%+5,!非稀土巨磁致伸缩合金的制备技术"5$5#!非稀土巨磁致伸缩合金取向多晶和单晶体目前已经通过提拉法$深过冷法和区熔法等定向凝固工艺制备出[L I G 取向晶体和单晶#并获得优异的磁致伸缩性能%中科院物理所采用冷坩埚提拉法成功制备出[L I G 合金c &&#d 取向晶体(9?)%上海交通大学利用深过冷制备出[L I G 合金取向晶体(=#)#北京航空航天大学采用光学悬浮区熔法成功制备了c &&#d 取向[L I G 合金单晶体(=%)#并制备出直径超过$&K K 的高性能[L I G 合金取向晶体%图:![L =#I G #:取向晶体大压力范围内的磁致伸缩能[B D 5:!'G D CL P 3Q P 7B N P B S L 6736L 7P B L Q 3O [L =#I G #:G443T FCRL 7EB D E 43G R "5$5%!非稀土巨磁致伸缩丝材磁致伸缩丝材在扭矩传感器$压力换能器和位移传感器和其它磁性传感器等高技术领域具有重要应用%通过热锻和冷拔成功制备的[L =?I G #?磁致伸缩丝材在低于=&a !#&"h $#"(*K 8#的磁场下磁致伸缩能达到<<a #&8<#是[L Z 1B 磁致伸缩丝材的"倍(=")%此外#通过热锻和温拔已制备出![L ="I G #9"#8"'"丝材(=$)#采用热轧8拔丝制备出'C ?&[L ?&丝材(<?)%"5$5"!非稀土巨磁致伸缩合金带材和薄膜采用熔体快淬甩带法以#%Kh Q 的速度#可获得%`"K K 宽#?&!K 厚的[L =?I G #?合金带材#具有巨磁致伸缩效应(=?)%发现淬火过程对带材的相结构和磁致伸缩性能起关键作用(=<)%人们采用直流磁控溅射的方法制备[L I G 薄膜#在!#&&".B 片上沉积了厚度为&5%K K 的[L =#I G #:薄膜#研究了薄膜的微观结构$磁性和磁致伸缩(=9)%人们开展了[L I G 合金的轧制工艺研究#采用热锻8热轧8温轧8冷轧工艺#获得了[L I G 1M #[L I G ;薄板材料(==)%,!巨磁致伸缩材料的应用研究稀土巨磁致伸缩材料最早应用于低频大功率水声换能器的研制#目前已装备美国海军%随后瑞典$日本$美国等开展了巨磁致伸缩材料在微位移与微振动控制等9。
磁致伸缩材料在超材料领域中的应用研究磁致伸缩材料是一种具有特殊性能的新型材料，其在物理学、工程学和材料学等领域具有广泛的应用。
超材料是一类具有特殊结构和性能的人造材料，可用于制造超级透镜、隐身材料和超高速传输等高科技应用。
磁致伸缩材料在超材料领域中的应用研究是一个新兴的领域，其研究成果可能会给现代科技带来重大的突破。
一、磁致伸缩材料的特性磁致伸缩材料是一种能随着外界磁场变化而发生长度变化的材料。
基于磁致伸缩效应的工作原理，磁致伸缩材料可以用于制造自适应结构、传感器、执行器等器件。
目前，磁致伸缩材料已被广泛应用于机器人、航空航天和医疗设备等领域。
二、超材料的应用超材料因其特殊的结构和性能而被广泛应用于许多领域，如通信技术、医学成像和光学器件。
通过设计不同的超材料结构和参数，可以制造具有特定功能的材料。
例如，超级透镜可以将光线聚焦到微小的点上，从而实现高分辨率成像。
此外，超材料还可以用于制造隐身材料和超高速传输器件等应用。
三、磁致伸缩材料在超材料中的应用磁致伸缩材料在超材料中的应用是一个具有巨大潜力的新领域。
磁致伸缩材料可以在外界磁场的作用下发生长度变化，根据其长度变化的特性，可以设计出各种各样的超材料结构。
例如，通过将多个磁致伸缩材料组成一种可调谐介质，可以制造出具有可调谐电磁波传输和反射特性的超材料。
此外，磁致伸缩材料还可以用于制造具有变曲率表面的超材料结构。
这种变曲率表面可以实现光束的弯曲，从而实现超级透镜的功能。
与传统的透镜相比，超级透镜具有更高的分辨率和更大的视场角，可以应用于高分辨率成像和光纤通信等领域。
四、磁致伸缩材料在超材料应用中存在的问题磁致伸缩材料在超材料应用中存在着一些问题。
首先，磁致伸缩材料的性能受到环境因素的影响，如温度、湿度和磁场等。
这些因素的变化会导致磁致伸缩材料的性能发生变化，降低超材料的稳定性和可靠性。
其次，磁致伸缩材料制备工艺复杂，成本较高。
这也限制了其在超材料应用中的推广和使用。
稀土超磁致伸缩材料及在地球物理领域的应用
稀土超磁致伸缩材料是一种具有广泛应用前景的新型材料，它将稀土材料与超磁体结合在一起制成，通过引入磁场而形成伸缩现象。
稀土超磁致伸缩材料具有很高的力学强度和抗热性能，传导能力也较好，可以实现多种特殊物理效果，用于高性能机械装备、精密机械设备、先进航空航天设备及部分电子产品中。
在地球物理领域，稀土超磁致伸缩材料的应用可以极大地改善现有的测量技术，为未来的地震监测、深海地质勘探等提供新的技术和方法。
此外，稀土超磁致伸缩材料还可以帮助提高深海监测的准确性和时效性，分析地壳的岩石构造变化。
同时，它还可以作为新型海洋异常信息传感器，检测海水温度、潮汐变化等信息，以及海底活跃地震活动。
稀土超磁致伸缩材料在地球物理领域的应用有着广阔的前景，它不仅可以一定程度上帮助我们了解地球的结构及变化规律，而且可以更好的帮助我们预测地震，改善地震灾害对人民的影响。
稀土超磁致伸缩材料表明，它未来将被广泛应用于地球物理相关研究中，它也将有助于改善我们解决着重大地球物理问题的能力。
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]。
1.2 超磁致伸缩材料本构关系
因超磁致伸缩材料（Terfenol-D ）各种优越的性能，所以他被广泛的应用于各种仪器设备。
为了有助于设计和控制以超磁致伸缩材料为基础的各种仪器设备，一种可以有效精确的描述材料磁致伸缩的本构关系是必须的[54]。
构建超磁致伸缩材料完全耦合、非线性的本构关系一直是一个困难的问题，它大磁致伸缩各向异性、低磁晶各向异性和孪晶的枝状结构引起还不能被完全理解的复杂磁畴域级别的过程[55]。
自超磁致伸缩材料问世，大量学者提出自己描述此材料的本构方程。
1986年由Jiles D C 和Atherton D L 提出Jiles-Atherton 模型来描述各向同性铁磁磁滞，其中与Weiss 式力矩相互作用的铁磁材料总磁化量作为由磁畴壁移的不可逆分量和磁畴壁弯曲的可逆分量的总和，仔细辨识局部和全局非磁滞响应，该模型应用直接、计算有效[56]。
因为Jiles-Atherton 模型仅包含5个可以被直接测量的参数，所以就被用来描述超磁致伸缩材料（Terfenol-D ）的本构，其中磁致伸缩系数作为磁化量的二次函数[57,58,59]。
又因为超磁致伸缩材料展现的行为显著偏离基本的Preisach 迟滞[60]，Reimers and Della Torre 便研究出特殊的迟滞与双峰分布敏感性函数来描述Terfenol-D 的一维致动响应[61,62]。
Armstrong 提出一种Terfenol-D 本构模型，其中大量磁化和磁致伸缩源于一种基于能量概率密度函数的大量可能能量状态的期望值[63]。
为增加模型有效性，Armstrong 限制选择易于磁化的8轴111方向和离散概率密度函数，虽提高了计算速度，但损耗了模型正确性[64]。
基于吉布斯自由能泰勒序列扩展，Carman and Mitrovic [65]提出一种Terfenol-D 本构模型。
该模通过截断吉布斯自由能多项式扩展的方式，将应力与磁场强度作为独立变量，可以描述大预应力下低到中场的磁致伸缩，但无法描述高磁场下的磁致伸缩饱和。
为描述高场饱和行为，万永平等[66]提出了双曲正切模型和磁畴翻转密度模型，虽然可以描述高场饱和行为，但与实验数据出入仍很大。
Duenas [67]和Hsu [68]提出模型将磁化强度作为自变量，并假设磁致伸缩系数为磁化强度的二次平方函数，构造一种简洁的本构，可以描述低中磁场的磁致伸缩，在高场不同预应力都会到达相同的饱和，这不能反映饱和磁致伸缩随预应力增大的现象[69]。
考虑上述模型的缺点，郑晓静[70,71]等将吉布斯自由能在高次泰勒序列截断，使用Langevin 函数描述磁化曲线，尽管模型非磁滞，在一系列宽泛的预应力下模型可以正确的描述Terfenol-D 磁致伸缩的非线性本质，并且可以描述在不同预应力和磁场下杨氏模量的变化。
在很多作动器中，均使用线性压磁的Jiles-Atherton 模型，但Carman 指出线性方法不适合建模材料在结构中的反应[65]，因此本文工作中使用郑晓静教授等得到的Terfenol-D 本构，其表达及相应性质图形式如图1.1和1.2。
其中ε为应变，σ为应力。
x x x f /1)coth()(-=，s m M k /3χ=为松弛因子，m χ为线性磁化率，s M 为饱和磁化强度。
)/(00E E E E s s s s -=λσ，s λ为饱和磁致伸缩系数，s E 为固有杨氏模量，0E 为初始杨氏模量。
m H /10470-⨯=πμ为真空磁导率，H 为应用磁场，M 为磁化强度。
2222tanh()[1
tanh(
)] 0212tanh()[1tanh()] 022s s s s s s s s
s s s s s M M E M M λσσσλσσσσελλσσσσσσ⎧+-≥⎪⎪=+⎨⎪+-<⎪⎩
（1.1） 201202{ln[cosh()]} 0122{ln[cosh()]} 04s s s s s s s s s s s M M M H f k M M M λσσσσσμσσλσσσσμσ-⎧-≥⎪⎛⎫⎪=-⎨ ⎪⎝⎭⎪-<⎪⎩
（1.2）
图2-1：模型预测的磁致伸缩应变曲线与实验 图2-2：模型预预测的Young 氏模量随压
的比较[70]（回线：实验；粗实线：模型） 应力的变化[70]。
