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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。
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。
第8章超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料（magnetostrictive material）是一种特殊的材料，具有在磁场作用下发生尺寸和形状变化的能力。
它们广泛应用于传感器、电磁换能器和声学设备等领域。
本章将介绍超磁致伸缩材料的基本原理、特性和应用。
超磁致伸缩材料的基本原理是磁致伸缩效应。
当该材料处于外加磁场中时，磁性原子或离子会产生磁偶极矩的改变，从而导致材料产生应力和形变。
这种效应是由材料的微观结构和磁性基团之间的相互作用所决定的。
超磁致伸缩材料的一个重要特性是磁致伸缩系数（magnetostrictive coefficient），它表示材料在外加磁场下的形变能力。
磁致伸缩系数的数值通常很小，大约是10^-6到10^-3之间，但它们在应用中通常足够实现所需的精度和灵敏度。
超磁致伸缩材料在传感器方面的应用非常广泛。
例如，它们可以用于制作磁场传感器，测量磁场的强度和方向。
此外，超磁致伸缩材料还可以制作压力传感器，通过测量材料的形变来间接测量外部的压力。
这些传感器在工业自动化、航空航天和医疗设备等领域中起着重要的作用。
另一个重要的应用领域是电磁换能器（magnetostrictive transducer）。
超磁致伸缩材料可以通过外加磁场产生机械振动，并将电能和机械能之间进行转换。
这种换能器具有高效、可靠、无污染和长寿命的特点，因此被广泛应用于声学设备、振动装置和密封系统等领域。
此外，超磁致伸缩材料还可用于制造声音产生器和压电陶瓷的控制器。
它们的应用不仅可以产生可听的声音，还可以通过调整频率和振幅来实现声音的控制和调节。
尽管超磁致伸缩材料具有许多优点，如高灵敏度、高可靠性和长寿命，但也存在一些挑战和限制。
例如，它们对磁场的稳定性和强度有一定要求，且在高温环境下常常会出现退化和热失效的问题。
此外，超磁致伸缩材料的制备和加工也较为复杂，限制了其在一些领域的应用。
总之，超磁致伸缩材料是一类具有特殊性能和应用潜力的材料。
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。
大磁致伸缩材料用途
大磁致伸缩材料是一种智能材料，其主要特点是可以通过外界磁场的作用来改变其形状和尺寸，具有重要的应用前景。
以下将从医疗、工业和科学研究三个方面来介绍其用途。
一、医疗应用
大磁致伸缩材料的磁致伸缩效应可以促进人体组织的生长和修复。
因此，它可以应用于人工器官、生物传感器、药物输送等方面。
例如，大磁致伸缩材料可以用于骨骼系统的修复，将其种植至损伤组织内，当外界的医疗磁场作用于其后，大磁致伸缩材料就可以促进骨骼的生长，促进受损组织的修复。
此外，大磁致伸缩材料还可以制备成仿生肌肉，可以用于制作运动感应器或积木附着器等。
二、工业应用
大磁致伸缩材料的主要应用领域是工业领域。
其可以被用于制造智能机器人、电缆、传感器、气压开关等，可以应用于大磁致伸缩材料的温度敏感和磁神经效应。
例如，在机器人领域中，大磁致伸缩材料可用于仿生臂和仿生手，在人体外观和操作能力方面都比较接近人类。
同时，大磁致伸缩材料汇有一定的速度和精度，在传感领域中，大磁致伸缩材料可以制备成扭曲传感器、剪切传感器等，广泛应用于工业自动化和智能制造等。
三、科学研究应用
大磁致伸缩材料在科学研究中也有很大的应用价值。
如在物理、化学、材料学等科研领域中，大磁致伸缩材料可以用于制备高频振子、纳米尺度的机械器件等，有利于研究更加微小或复杂的现象和材料性能。
同时，大磁致伸缩材料还可以应用于精密测试仪器，如量子纠结仪、光谱仪等，因其具有高度的灵敏度和稳定度。
总之，大磁致伸缩材料在医疗、工业和科学研究等领域中都有着非常广泛的应用前景，相信未来这一材料会在各个领域中发挥出更加重要的作用。
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)。
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。
LI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口。
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 magnetostr ietive 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。
山于具有应变值大、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、高带宽的悄形，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。
在过去的儿年中，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。
磁致伸缩器件山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。
超磁致伸缩执行器及其在流体控制元件中的应用(1)：超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，在查阅大量文献的基础上，介绍了超磁致伸缩执行器的原理和分类及其在流体控制元件中的应用研究现状，并对超磁致伸缩执行器在流体机械中的应用前景进行了展望。
关键词:超磁致伸缩执行器流体控制元件0.引言液压伺服系统的性能主取决于组成该系统的阀、泵和液压马达等流体控制元件的性能。
因此提高流体控制元件的性能一直是人们努力的目标。
传统的流体控制元件主采用电动机、电磁铁作为驱动元件。
近年来，随着一些新型功能材料的出现，使大幅度提高流体控制元件的性能成为可能。
超磁致伸缩材料就是一种新型的电（磁）─机械能转换材料，具有在室温下应变量λ大，能量密度高，响应速度快等特性，国外以将它应用于伺服阀、比例阀和微型泵等流体控制元件中，并取得了一些进展。
本文就这方面情况做些介绍。
1.超磁致伸缩执行器1.1超磁致伸缩材料[1][2]超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material）有别于传统的磁致伸缩材料（Fe、Co、Ni等），是指美国水面武器中心的Clark博士于70年代初首先发现的在室温和低磁场下有很大的磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物，典型材料为Tbx Dy1-xFe2-y。
式中x表示Tb/Dy之比，y代表R/Fe之比，x一般为0.27～0.35，y为0.1～0.05。
这种三元稀土合金材料已实现商品化生产，典型商品牌号为Terfenol-D(美国的Edge Technologies公司)或Magmek86(瑞典的Feredyn AB公司)，代表成分为Tb0.27Dy0.73Fe1.93。
与压电材料（PZT）及传统的磁致伸缩材料Ni、Co等相比，超磁致伸缩材料具有独特的性能：在室温下的应变值很大（1500～2000ppm），是镍的40～50倍，是压电陶瓷的5～8倍；能量密度高（14000～25000J/m），是镍的400～500倍，是压电陶瓷的10～14倍；机电耦合系数大；响应速度快（达到μs 级）；输出力大，可达220～880N。
超磁致伸缩材料及其应用李 梅,吕银芳,陈 平,李湄静,荆小平,张会峰(陕西金山电气集团有限公司 陕西咸阳 712021)摘 要:介绍了超磁致伸缩材料具有高磁致伸缩应变 ,能量转换效率高、工作频带宽、频率特性好;稳定性好、可靠性高,其磁致伸缩性能不随时间而变化,无过热失效等特点;开发出的T b x Dy (1-x )Fe y 合金,在较低的外磁场下就能达到超磁致伸缩效果,并对T bFe 2,Dy Fe 2,T b 0.3Dy 0.7Fe 2(T erfenol D )做了特性对比;超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面广阔的应用前景,超磁致伸缩材料的应用及研究对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。
关键词:超磁致伸缩;磁致伸缩;特性;外磁场中图分类号:T P 211+.53 文献标识码:B 文章编号:1004373X (2005)1811402Giant Magnetostrictive Material and Its ApplicationL I M ei ,L V Y infang ,CHEN Ping ,L I M eijing ,JIN G Xia oping ,ZHA NG Huifeng(Shaa nx i Ji nshan Electric Cro up Co .Ltd .,Xi a ny ang ,712021,China )Abstract :U ltr a m agneto st rict ive mater ial is discussed in this thesis.It possesses high ,hig h energ y ex cha ng e efficiency ,w idew or king frequency r ange ,etc .it ′s not chang ed by time of mag neto str ictio n T b x D y (1x )Fe y allo y has ult ra mag netostr iction effect at lo w mag net ic field.Character istics o f T bF e 2,D yF e 2,T b 0.3Dy 0.7F e 2(T erfenol D )ar e also be co mpar ed in this art icle.T he ultramagne-tostr iction has widely applicatio n in acoustic f requency and ultr asonic,it plays an impo rtant r ole in sonar ,ocean development and detec-tio n t echno lo gy.Keywords :ultr a m agneto st riction ;m agneto est riction ;char acterist ic ;o ut side ma gnetic field收稿日期:20050628 磁致伸缩现象早在19世纪中叶就被发现,利用镍、坡莫合金、铁氧体等磁性材料的磁致伸缩效应制作的音响变换振子(超声波发生器)等器件,也早有实际应用,但由于其磁致伸缩量小,大致为10-5,从而被以PZT (代表性的压电材料,由Pb (Zr ,T i )O 3构成的陶瓷材料)为代表的压电材料占据主导地位。
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[。
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。
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。
线磁致伸缩的大小用磁致伸缩系数λ(即沿着磁场方向的相对伸长)衡量，如图1.1所示，当材料达到饱和磁化时，义将达到最大值，即称为饱和磁致伸缩系数λs。
图1.1 磁致伸缩材料在外加磁场作用下产生变形的示意图自从发现铁磁材料中存在磁致伸缩现象以后，人们对磁致伸缩材料的开发与探索陆续有了新的进展。
1940年，多晶体Ni和Co、坡莫合金以及铁氧体所具有的磁致伸缩特性被研究人员发现，但饱和磁致伸缩系数量级约为30~70ppm(ppm=10-6)具有的低量级磁致仲缩系数限制了真正的广泛应用，仅有超声换能器等少数领域应用。
1962年，美国水面武器研究屮心Clark博士等发现，稀土铽(Terbium)和镝(Dysprosium)单晶材料在0K低温下具有接近于1%的超大的磁致伸縮系数，但因其无法在正常的环境温度下工作而失去实际应用价值。
1972
年，Clark等制备出了能够在常温环境下具有超磁致伸缩系数的二元立方晶Laves 相稀土金属化合物TbFe2和DyFe2，但这两类化合物具有非常强的磁晶各向异性(K1为磁晶各向异性常数)，TbFe2的K1=-7.6x106J/m3，DyFe2K1=2.1xl06J/m3，需要很大的外加磁场才能使它们达到饱和状态，这增加了实际应用的困难，不易于发挥它的超磁致伸缩优势。
为了能够实现低磁场下的磁致伸缩特性，1974年，Clark等利用具有反号磁晶各向界性常数的化合物TbFe2和DyFe2组合起来形成伪二元化合物Tb1-x Dy x Fe y (0<x<l，0<y <0.2)合金，其磁晶各向异性常数K1可大大减低，在298K为-0.6xl06J/m3，外场作用下的饱和磁致伸缩系数大于1000ppm，达到饱和磁化所需的外加磁场强度小于0.3T，从而真正意义上实现了低磁场和常温环境下的超磁致伸缩特性，具有了真正的应用价值。
通常的，由于Tb1-x Dy x Fe y 合金的特性以及制备工艺和应用Tb1-x Dy x Fe y，合金常被制备成棒材，其轴向磁致仲缩性能最为研究人员关注，目前实用阶段的超磁致伸缩材料棒材在外界预应力作用下其磁致伸缩系数最大可达到1800ppm，实验室得到最大值为2375ppm。
从70年代中期发现超磁致伸缩材料Tb1-x Dy x Fe y合金以來，研究人员不仅对超磁致伸缩材料磁致伸缩性能进行了深入的研究，也对超磁致伸缩材料成分差异与制备工艺对超磁致伸缩材料性能影响进行了深入的研究，从而加快了超磁致伸缩材料的工业化、实用化和产品化以及功能器件的实际应用。
如美国的Edge Technolies公司推出的商标为Terfenol-D的磁致伸缩材料、瑞典FeredynAB公司推出的Magmek86产品、英国稀土制品公司、日本东芝公司和住友轻金属工业株式会社等相继研发出自己的超磁致伸缩材料。
在我国，也有相当多的单位开展了这种材料的研究，虽然开展的研究较晚，但其研究速度较为迅速。
已经有较多单位和企业生产成分为TbDyFe的超磁致伸缩材料，如包头稀土研究院、北京有色金属研究院、中科院物理所、甘肃天星稀土功能材料有限公司、浙江椒光稀土材料有限公司等，其主要性能和指标也都已经接近或者达到了国际同类产品的水平。
一、超磁致伸缩材料的特性
1.超磁致伸缩材料的优点
目前，虽然研制出的超磁致伸缩材料在成分和制备工艺过程当中会存在一些差异，但超磁致伸缩材料的特性是共有的。
以常用的TbDyFe合金棒材为例(成分为Tb1-x Dy x Fe y，0.27 <x<0.3，0.9<y<2.0 )，商业上通常称为Terfenol-D，。
