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超磁致伸缩材料微位移驱动器的设计与实验研究超磁致伸缩材料微位移驱动器的设计与实验研究近年来，磁致伸缩（Magnetostriction）材料越来越受到人们的重视。
其材料特性及结构使其具有很高的控制精度，同时也有很高的可靠性和耐久性。
特别地，超磁致伸缩（Terfenol-D）材料是一种具有较高磁导率和较低电磁耗的材料，具有许多潜在的高效能应用。
本文从超磁致伸缩材料出发，研究了其微位移驱动器的设计与实验研究，并对其性能进行了评估。
一、超磁致伸缩材料的特性超磁致伸缩材料是一种由稀土、铁、镍等金属元素组成的晶体。
在磁场的作用下，其原子排列会发生微小的变化，导致晶体的几何形状随之发生微小的变化。
因此，超磁致伸缩材料可以被用来制作微差动位移传感器、微调节装置等。
二、超磁致伸缩材料微位移驱动器的设计超磁致伸缩材料微位移驱动器是一种利用材料的磁致伸缩效应实现驱动的设备，它包括外磁场源、磁致伸缩材料、位置检测装置和控制系统等。
（一）外磁场源驱动器的外磁场源是指将磁场导入磁致伸缩材料中的一种装置。
一般来说，外磁场源可以采用永磁体、电磁铁甚至是其他磁性材料来实现。
其中，永磁体的安装和调节较为简单，但其磁场稳定性和调节精度较差；电磁铁的磁场稳定性和调节精度较高，但其安装和调节较为复杂，同时存在发热问题；其他磁性材料则要求具有高磁感应强度和宽工作磁场范围等特点。
（二）磁致伸缩材料磁致伸缩材料是微位移驱动器的核心组成部分，其特性直接决定了驱动器的性能。
超磁致伸缩材料具有较高磁致伸缩系数和较低电磁耗，是一种性能较优的磁致伸缩材料。
同时，为了实现更大的位移和更高的控制精度，则应该选用形状记忆合金等多功能复合材料作为扩展材料，在磁致伸缩材料的基础上实现驱动。
（三）位置检测装置位置检测装置是指对位移量进行测量的装置。
在微位移驱动器中，可以采用磁电传感器和光电传感器等多种办法实现位置检测。
其中，磁电传感器具有检测精度高、不易受外界环境干扰等优点，但要求磁致伸缩材料必须处于完全连续的磁场中；光电传感器则无需磁场，但其探头精度较低。
超磁致伸缩作动器动力学模型构建及特性分析研究超磁致伸缩作动器动力学模型构建及特性分析研究引言超磁致伸缩作动器是一种基于磁性材料的智能材料致动器，具有高精度、高刚度、高运动分辨率和快速响应等特点，被广泛应用于精密定位、振动控制和自适应结构等领域。
了解超磁致伸缩作动器的动力学特性对于优化其设计和控制具有重要意义。
本文基于磁力平衡原理和动力学分析方法，提出了一种超磁致伸缩作动器动力学模型，并对其特性进行了分析研究。
模型构建超磁致伸缩作动器由磁铁、线圈和磁致伸缩材料组成。
在模型构建中，假设线圈内部感应电阻可忽略不计，并忽略壳体和线圈之间的磁阻。
通过磁力平衡原理，可以得到作动器的力学模型。
首先，根据安培定律，作用在线圈上的磁力可以表示为：Fm = B · I · l其中，Fm表示磁力，B是磁感强度，I是线圈电流，l是线圈长度。
通过磁感强度和线圈电流的关系可以得到：B = μ0 · (H + Ms · M)其中，μ0表示真空中的磁导率，H是外加磁场强度，Ms是磁致伸缩材料的饱和磁化强度，M是磁化强度。
接下来，根据赫斯定律和欧姆定律，可以得到线圈受到的电动势和电阻：E = -dφ/dt = - N · d(B · S)/dt = -N · S · d(B · I)/dt其中，E表示电动势，N表示线圈匝数，S表示线圈截面积。
根据电动势和电阻的关系可以得到：E = R · I + L · dI/dt其中，R表示线圈电阻，L表示线圈电感。
最后，根据牛顿第二定律，可以得到作动器的动力学方程： Fm - Fd - Fs = m · a其中，Fd表示阻尼力，Fs表示弹簧力，m表示作动器的质量，a表示作动器的加速度。
特性分析基于上述模型，可以对超磁致伸缩作动器的特性进行分析。
首先，通过数值方法求解动力学方程可以得到作动器的位置、速度和加速度随时间的变化。
稀土超磁致伸缩材料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年由焦耳发现致伸缩材料是近期发展起来的一种新型稀土功能材料。
它具有电磁能与机械能或声能相互转换功能。
“稀土超磁致伸缩材料”是当今世界最新型的磁致缩功能材料,是一种高效的Tb-Dy-Fe 合金。
它在低磁场驱动下产生的应变值高达1500—2000ppm，是传统的磁致伸缩材料如压电陶瓷的5—8 倍、镍基材料的40—50 倍，因此被称之为“超磁致伸缩材料”。
“稀土超磁致伸缩材料”产生的应力大、能量密度高，可瞬间响应，并且具有可靠性高、居里温度高等优点，而且还是一种环保型材料；其所具有的卓越的电磁能与机械能或声能转换性能，是传统的磁致伸缩材料所无法比拟的。
“稀土超磁致伸缩材料”可广泛应用于众多行业的科学研究与生产制造领域，从军工、航空、海洋船舶、石油地质，到汽车、电子、光学仪器、机械制造，再到办公设备、家用电器、医疗器械与食品工业，无处没有它大显身手的机会。
在国防、航空航天和高技术领域：如声纳与水声对抗换能器、线性马达、微位移驱动（如飞机机翼和机器人的自动调控系统）、噪声与振动控制系统、海洋勘探与水下通讯、超声技术（医疗、化工、制药、焊接等）、燃油喷射系统等领域，有广阔的应用前景。
“稀土超磁致伸缩材料”对生产技术与生产工艺的要求极高，目前只有少数几个国家的个别企业能够生产。
由三个组元组成（Tbl －xDyx）Fey（X＝0．27~0．40，Y＝1．90~2．0）在较低磁场下具有很高磁致伸缩应变λ的合金，如Tbo0．3Dy0．7Fe1．95 首先于20 世纪70 年代初由美国海军表面武器实验室的A．C．Clark 博士等人发明，当即他们申请了美国专利。
美国海军表面武器实验室于1987 年将该专利技术转让给美国阿依华州 A mes 市的前沿技术公司创建了专门生产稀土超磁致伸缩材料的E trema INC 分公司。
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。
[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。
超磁致伸缩材料及其应用磁致伸缩材料所谓磁致伸缩是铁磁物质(磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。
大家知道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，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。
超磁致伸缩超磁致伸缩材料（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，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。
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，可应用于声纳、超声器件、微位移控制、机器人、流体器件中。
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在于其优越的力学性能和热鲁棒性，而相对于形状记忆合金，更具有应变大，带宽广和磁滞损耗低等优点。
这些性能优势有利于开发研制传感器和制动器，甚至二者的结合体，例如需要精密的自传感制动器。
应用具有输出力大、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。
由于超磁致伸缩材料, 在磁场作用下长度发生变化, 发生位移而做功; 在交变磁场作用下, 发生反复伸张与缩短, 从而产生振动或声波, 将电磁能( 或电磁信号) 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), 这样可以制成功率电- 声换能器、电- 机换能器、驱动器、传感器和电子器件等, 广泛应用于海洋、地质、航空航天、运输、加工制造、医学、计算机、机器人、仪器、电子及民品等技术领域。
!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=