下载文档原格式
稀土功能材料简介稀土元素具有独特的原子结构和化学性质，可以制备出多种具有特殊性能的功能材料。
本文将介绍一些主要的稀土功能材料。
1.稀土永磁材料稀土永磁材料是指利用稀土元素制成的永久磁性材料，具有高磁能积、高矫顽力和高最大磁能积等特点。
常见的稀土永磁材料包括钐钴永磁体和钕铁硼永磁体等。
2.稀土发光材料稀土发光材料是指利用稀土元素具有的独特电子结构，在激发条件下能够发出不同颜色和波长的光。
常见的稀土发光材料包括荧光粉、激光晶体和电致发光材料等。
3.稀土催化材料稀土催化材料是指利用稀土元素的化学活性，在催化剂或助剂中发挥作用，提高反应效率和产率。
常见的稀土催化材料包括汽车尾气处理催化剂、石油裂化催化剂等。
4.稀土超导材料稀土超导材料是指利用稀土元素的超导性能，在低温下具有零电阻和完全抗磁性。
常见的稀土超导材料包括镧钡铜氧化物等。
5.稀土储氢材料稀土储氢材料是指利用稀土元素的储氢性能，在吸氢状态下能够将氢气储存起来，并且可以在需要时释放出来。
常见的稀土储氢材料包括镧镍合金等。
6.稀土磁致伸缩材料稀土磁致伸缩材料是指利用稀土元素的磁致伸缩性能，在磁场作用下能够产生伸缩变化。
常见的稀土磁致伸缩材料包括铽铁氮合金等。
7.稀土抛光材料稀土抛光材料是指利用稀土元素的化学稳定性和微粒大小，在抛光液中发挥作用，使表面更加光滑亮丽。
常见的稀土抛光材料包括氧化铈颗粒等。
8.稀土玻璃添加剂稀土玻璃添加剂是指利用稀土元素的玻璃形成能力，在玻璃制造过程中改善玻璃的性能和光学性质。
常见的稀土玻璃添加剂包括镧玻璃、铈玻璃等。
电致和磁致伸缩材料的功能1 电致材料1.1 电致伸缩效应电致伸缩效应是一种机电祸合效应它是指当外电场作用于电介质上时, 所产生的应变正比于电场强度或极化强度的平方的现象由于电致伸缩效应引起的应变与外加电场的方向无关, 所以一般固体电介质都能产生电致伸缩效应。
1.2 电致伸缩材料电致伸缩效应在一切固体电介质中都有, 但其大小不同因为应变正比于介电常数的平方, 所以铁电体在其相变温度附近应该有较大的应变从应用上看, 要求加一个不太强的电场, 能够产生足够大的应变, 而且应变与电场的关系没有滞后, 重复性好, 同时还要求温度效应小为此, 应该选择介电常数大并属于扩散相变的材料此外还要求平均居里温度在室温以下, 接近室温, 扩散区较长目前, 大部分铁电体及一些非铁电体如石英、碱卤晶体等材料的电致伸缩系数都已经测量到了，已经发现电致伸缩效应显著的材料有：铌镁酸铅一钦酸铅固溶体（PMN-PT）,铌镁酸铅一钦酸铅一铌锌酸钡固溶体（PMN-PT-BNZ）,掺钡的错钦酸铅(Ba2PZT),掺翻的锆酸铅（La2PZT）。
1.3 电致伸缩材料的发展方向一、多元化压电陶瓷按其所组成的固溶体的化合物成分构成可分为一元系压电陶瓷, 如钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)和偏铌酸铅(Pb(NbO3)2)等;二元系压电陶瓷, 如目前使用最多的锆钛酸铅(xPbZrO3-(1- x )PbTiO3或Pb(Zr x Ti1-x O3)),这是目前使用最为广泛的PZT 系列压电陶瓷;三元系及多元系压电陶瓷,通常是在具有钙钛矿型结构的PZT二元系中再加入第三种或第四种化学通式为ABO3型化合物而形成三元系或多元系固溶体,以获得所需要的宽性能调节范围, 得到不同性能参数的压电陶瓷,以满足不同的市场需求。
与PZT 压电陶瓷相比,三元系或多元系压电陶瓷的烧结性能良好,不但烧成温度范围宽,而且PbO 挥发也少,陶瓷的工艺重现性好,易获得气孔率少的致密陶瓷体,可获得具有高机械强度和电气性能, 及在某些方面有显著特点的压电陶瓷。
磁性液体磁致伸缩效应的理论分析与实验研究摘要固体的铁磁性材料在磁场作用下具有磁致伸缩效应。
梯度磁场可以改变具有磁化特性的磁性液体的视密度和内压强，进而改变磁性液体的体积，导致磁性液体发生磁致伸缩效应。
本文分析了磁性液体产生磁致伸缩效应的基本原理，推导了磁性液体磁致伸缩应变量的理论计算表达式；分析了单个载流圆线圈的磁场特性，在此基础上分析了多个同轴线圈产生的磁场，并计算了线圈的结构参数，完成了最终线圈结构的选取；设计了实验装置系统，包括线圈骨架尺寸，导线直径以及总匝数等；最后利用毛细管放大原理的测量装置测量了磁性液体的磁致伸缩微位移量，分析了实验结果，实验效果较好。
实验结果与理论进行比较，分析了实验误差产生的原因。
最终得出，磁性液体在变化的梯度磁场作用下具有磁致伸缩效应，其磁致伸缩的微位移量与输入的电流大小有较好的线性关系，扩大了磁性液体的应用研究范围，具有重要的理论与实际意义。
关键词：磁性液体，磁致伸缩，梯度磁场ITHEORETICAL ANALYSIS AND EXPERIMENTALSTUDY ON MAGNETOSTRICTIVE EFFECTOF MAGNETIC LIQUIDABSTRACTThe solid ferromagnetic material has magnetostrictive effect in the magnetic field. The volume of the magnetic fluid can be changed in the external gradient magnetic field because of its apparent density and the internal pressure intensity were changed. So, the magnetic liquid magnetostrictive effect is produced.In this paper, the magnetostrictive effect theory of magnetic fluid was analyzed. Theoretical calculation expression of magnetostrictive strain was derived. The magnetic field which was generated by the plurality of coaxial coils was analyzed on the basis of a single coil magnetic field. The parameters of the coil were calculated. Experiment installation was designed, including the size of the coil bobbins, diameter of wire, and the total number of turns. Micro displacement of magnetostrictive effect was measured by the capillary tube amplification principle. The experimental results compared with theoretical. Experiments prove that the effect is better. Finally it shows that the magnetostrictive effect of magnetic fluid will be produced in the variable gradient magnetic field. The amount of magnetostrictive micro-displacement and the input current has a good linear relationship. It has important significance to expanding the range of applied research of magnetic fluid.KEY WORDS: magnetic fluid, magnetostrictive, gradient magnetic fieldII目录第一章绪论 (1)§1-1 磁致伸缩材料概述 (1)1-1-1 磁致伸缩材料的发展历程 (1)1-1-2 磁致伸缩材料的应用 (2)§1-2 磁性液体的特性及应用 (3)§1-3 磁性液体磁致伸缩效应的研究现状及意义 (5)§1-4 论文主要研究内容 (5)第二章磁性液体磁致伸缩效应的理论分析 (7)§2-1 磁性液体的磁学特性与流体力学特性 (7)2-1-1 磁性液体的磁学特性 (7)2-1-2 磁性液体的流体力学特性 (8)§2-2 磁性液体磁致伸缩应变量计算式的推导 (10)§2-3 磁性液体磁致伸缩效应理论分析 (12)§2-4 本章小结 (13)第三章梯度磁场装置的设计 (14)§3-1 梯度磁场线圈设计基本原理 (14)3-1-1 单个载流圆线圈产生的磁场 (14)3-1-2 Maxwell线圈产生的磁场 (16)3-1-3 多个同轴线圈产生的磁场 (17)§3-2 线圈参数的计算以及最终结构的选取 (19)3-2-1 线圈参数的计算 (19)3-2-2 线圈结构的选取 (22)3-2-3 仿真结果与分析 (23)§3-3 实验系统设计 (27)3-3-1 线圈设计 (28)3-3-2 磁性液体的选取 (30)§3-4 本章小结 (31)第四章磁性液体磁致伸缩应变量的实验测量及结果分析 (32)§4-1 实验测量原理介绍 (32)§4-2 磁性液体磁致伸缩应变量的测量与结果分析 (33)4-2-1 实验装置搭建 (33)4-2-2 实验测试及结果分析 (34)4-2-3 引起实验误差的因素分析 (37)4-2-4 实验改进方案 (37)§4-3 本章小结 (38)III第五章全文总结 (39)参考文献 (40)致谢 (42)IV1第一章 绪 论§1-1 磁致伸缩材料概述铁磁体在外磁场中磁化时，其长度和体积均发生变化，这个现象称为磁致伸缩效应，它首先是焦耳（J.P.Joule ）在1842年发现的，故亦称焦耳效应 [1]。
铽镝铁大磁致伸缩材料1范围本文件规定了铽镝铁大磁致伸缩材料的牌号、要求、试验方法、检验规则和包装、标志、运输、贮存及随行文件。
本文件适用于定向凝固工艺生产的铽镝铁大磁致伸缩材料。
2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
其中，凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T2828.1—2012计数抽样检验程序第1部分：按接受质量限（AQL）检索的逐批检验抽样计划GB/T7314金属材料室温压缩试验方法GB/T8170数值修约规则与极限数值的表示和判断GB/T9637电工术语磁性材料与元件GB/T13012软磁材料直流磁性能的测量方法GB/T17803稀土产品牌号表示方法GB39176稀土产品的包装、标志、运输和贮存3术语和定义GB/T9637界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1磁致伸缩系数magnetostrictive coefficient在外磁场作用下产生的尺寸相对变化量（应变），用λ表示。
测量方向与外加磁场方向平行时所测得的磁致伸缩系数为平行磁致伸缩系数，用λ∥表示。
3.2动态磁致伸缩系数dynamic magnetostrictive coefficient平行磁致伸缩系数随磁场变化的变化率称为动态磁致伸缩系数，用d33表示，单位为m/A。
33=B∥∕d3.3磁致伸缩温度系数temperature coefficient of magnetostriction在一定磁场与预压应力下，平行磁致伸缩系数随温度变化的变化率，用αλ表示，单位为1/℃。
=B∥∕d3.4磁致伸缩不均匀度nonuniformity of magnetostriction一定匀强磁场下，磁致伸缩材料不同位置的平行磁致伸缩系数（λ∥N ）与其平均值（∥ =（λ∥1+λ∥2+λ∥3+……+λ∥N ）/N ）的偏离程度，用N表示。
稀土元素的光、电、磁、化学特殊性能原理(摘自四川稀土材料及应用研究中心文章)《四川稀土》2001.第二期p.4.稀土元素具有十分丰富的光、电、磁、化学等特殊性能，其原理是：稀土元素原子结构特殊：(1)内层4f轨道未成对电子多，电子轨道相互作用较强，因而决定物质磁性强弱的原子磁矩高。
可与3d过渡元素Fe、Co结合形成具有强大磁力的超级永磁、旋磁(微波)、旋电(磁光)、压磁(磁致伸缩)、磁致冷材料和器件。
(2).4f区元素的电子能级最为丰富，十三种三价稀土离子共有1639个能级，在这些能级之间，有199177个可能跃迁的敉目，比周期表中所有其它元素电子能级跃迁的敉目多1到3 个敉量级。
在稀土元素的199177个可能跃迁的能级中，现只有48个己被用于激光和发光材料，只占可能跃迁敉目的4000分之一。
可见有待研究开发的潜力还非常大。
所以稀土元素被认为是新光源、新能源、新磁源等新材料的宝库。
(3).稀土金属活泼，几乎可与所有元素发生反应，易失去外层电子显示其极高的化学活性，它们的配位敉可从3到12的大范围内变化。
所以可将这些特性应用到冶金、石油化工、玻璃陶瓷、轻纺和农业等传统产业中，创造出性能更好、更多节能降耗的新材料和新工艺。
稀土科技信息摘录(1).第四代高性能永磁体---纳米晶交换耦合永磁体---纳米晶低钕NdFeB材料。
(四川绵阳九所和川大合作研究，2000年已通过鉴定。
)(2)四元室温磁致冷材料GdSiGeX己制成纳米粉、薄膜等多种形状的工质，新型磁致冷样机正在安装调试中。
(四川川大和四川省稀土材料及应用工程研究中心于1998年攻克。
)用3N金属Gd .(3)世界上149座核反应堆中，有115座压水堆采用Gd2O3 .其对此Gd2O3有特殊的物化要求。
(4)LaCePr(LCP)新型混合稀土低钴贮氢合金, 此混合金属是提Ce提Nd后剩下的富La低Ce含Pr无Nd的混合稀土产品.用此制造的贮氢合金比用低镁低锌混合稀土金属做的贮氢合金成本低30%,解决了自主知识产权和成本高两大难题，现产品一致性、稳定性尚未解决，正在攻关。
稀土矿稀土就是化学元素周期表中镧系元素——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素——钪(Sc)和钇(Y)共17种元素，称为稀土元素(Rare Earth)。
简称稀土(RE或R)。
在新材料方面稀土钴及钕、铁、硼永磁材料，具有高剩磁、高矫顽力和高磁能积，被广泛用于电子及航天工业；纯稀土氧化物和三氧化二铁化合而成的石榴石型铁氧体单晶及多晶，可用于微波与电子工业；用高纯氧化钕制作的钇铝石榴石和钕玻璃，可作为固体激光材料；稀土六硼化物可用于制作电子发射的阴极材料；镧镍金属是70年代新发展起来的贮氢材料；铬酸镧是高温热电材料；近年来，世界各国采用钡钇铜氧元素改进的钡基氧化物制作的超导材料，可在液氮温区获得超导体，使超导材料的研制取得了突破性进展。
此外，稀土还广泛用于照明光源，投影电视荧光粉、增感屏荧光粉、三基色荧光粉、复印灯粉；在农业方面，向田间作物施用微量的硝酸稀土，可使其产量增加5~10%；在轻纺工业中，稀土氯化物还广泛用于鞣制毛皮、皮毛染色、毛线染色及地毯染色等方面。
永磁材料&Nbsp; （这里主要介绍钕铁硼）一、分类及性质永磁材料主要有铝镍钴(AlNICo)系金属永磁，第一代SMCo5永磁体(称为1:5型钐钴合金)，第二代Sm2Co17(称为2:17型钐钴合金)永磁体，第三代稀土永磁合金NdFeB(称作钕铁硼合金)。
随着科学技术的发展，钕铁硼永磁材料的性能不断提高，应用领域不断扩大。
高磁能积（50兆高奥≈400kJ/m3）、高矫顽力（28EH、32EH）和高使用温度（240C）的烧结钕铁硼已产业化生产。
钕铁硼永磁铁的主要原材料有稀土金属钕（Nd）32%、金属元素铁（Fe）64%和非金属元素硼（B）1%（少量添加镝（Dy）、铽（Tb）、钴（Co）、铌（Nb）、镓（Ga）、铝（Al）、铜（Cu）等元素）。
Rare Earth Information 2021.No.03稀土元素科普系列—— 1879年，法国化学家德·波依斯包德朗（Paul Εmile Lecoq de Boisbaudran）从铌钇矿中提取出了一种元素，为了纪念采出铌钇矿（Samarskite）的俄国采矿官员Vasili Samarsky Bykhovets，这一元素被命名为钐（Samarium）。
钐的元素符号是Sm，原子序数为62，原子量150.36，原子半径（计算值）185pm，电子构型为[Xe]4f6 6S2。
作为一个典型的镧系元素，钐主要表现为+3价和+2价，电负性为1.17。
钐单质为中等硬度的银白色金属，密度为7.54g/cm3，熔点1345K，沸点2064K，蒸气压563Pa（1345K）。
在室温下，金属钐为三方晶结构（α-型），具有良好的可塑性，加热至731℃时转变为六方紧密堆积（hcp结构），进一步加热到922℃变为体心立方相（bcc结构），若加热到300℃并压缩至40kbar，则会形成双六方紧密堆积结构（DHCP）。
在空气中，金属钐在室温下氧化缓慢，但在150℃下会发生自燃，即使储存于矿物油中，钐也会逐渐氧化在表面形成灰黄色粉末状的氢氧化物混合物。
钐虽然归类为稀土元素，但在地壳中的丰度排第40位，平均浓度达到百万分之六，比锡等金属的储量还要丰富，不过在自然界中很难找到游离的钐元素。
它通常和其他稀土元素共存于矿物中，在包括硅藻土，硅铍钇矿，铌钇矿，独居石和氟碳铈矿等多种矿物中含量较高。
这些矿物主要分布在中国、美国、巴西、印度、斯里兰卡和澳大利亚，其中独居石和氟碳铈矿是最常见的钐元素来源，独居石中稀土元素的质量分数能够达到50%以上，而在稀土各元素中钐的占比往往超过2.8%。
我国拥有丰富的稀土资源，氧化钐的储量约为65万吨，居世界首位（林河成，我国氧化钐的生产应用及市场）。
同时我国拥有世界领先的钐开采及生产技术，年产氧化钐逾千吨。
!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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前!言巨磁致伸缩材料是一种新型金属智能材料 具有磁致伸缩应变大 磁8机械耦合系数高 能量密度高 承受压应力大 响应速度快 可靠性好 驱动方式简单等综合优点 在航空航天 机械电子 环境能源 交通运输等领域有重要应用背景巨磁致伸缩材料的研究 始于%&世纪<&年代 在稀土金属中发现了&\附近#&8"量级的磁致伸缩#比[L 1B 等传统磁致伸缩合金高出数百倍 在此基础上 人们在!H C 合金系中开发了)M]T H C 和)MI RH C 低温巨磁致伸缩材料 % #:9%年 /4G 7^等在![L %合金系中开发出具有低磁晶各向异性的室温巨磁致伸缩材料)M]T [L %.K ]T [L %等 "其中)M "]T #8"[L #"_&5%9`&5" #_#5:`#5:? 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=