磁性材料-第六章ppt课件.ppt

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1、认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目第六章第六章 磁致伸缩材料磁致伸缩材料*定定义义：磁磁性性材材料料由由于于磁磁化化状状态态的的改改变变，其其长长度度和和体体积积都都要要发生微小的变化发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩，这种现象称为磁致伸缩。=L/L为磁致伸缩系数。为磁致伸缩系数。6.1 磁致伸缩材料概述磁致伸缩材料概述*发展史：发展史：*大部分材料的大部分材料的 只有只有10-6数量级，一直难以实用化。数量级，一直难以实用化。*1940年年，Ni和和Co的的多多晶晶材材料料出出现现后后，磁磁致致伸伸缩缩材材

2、料料才才得得到到实出化实出化。Ni：=4010-6*1950年年，发发现现了了Alfer Fe-13A1合合金金，它它的的磁磁致致伸伸缩缩值值达达到到110-4认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目*20世世纪纪60年年代代，Clark等等致致力力于于稀稀土土类类磁磁致致伸伸缩缩材材料料的的研研究究。发发现现具具有有立立方方Laves相相结结构构的的TbFe2，DyFe2等等二二元元稀稀土土铁铁化化合合物物，其其室室温温下下的的 值值达达260010-6以以上上。该该类类材材料料的的 值比传统材料要大上百倍，因此称

3、为超磁值比传统材料要大上百倍，因此称为超磁致伸缩材料。致伸缩材料。*1974年年，Clark等等人人成成功功地地发发现现了了三三元元稀稀土土过过渡渡族族金金属属间间化化合合物物Tb0.27Dy0.73Fe2合合金金，它它具具有有磁磁致致伸伸缩缩值值高高、居居里里温温度高、磁晶各向异性能小等优点度高、磁晶各向异性能小等优点。*从实用角度来看，磁致伸缩材料应具备以下特性：从实用角度来看，磁致伸缩材料应具备以下特性：(1)变位变位量及产生的应力要大；量及产生的应力要大；(2)响应速度快；响应速度快；(3)软磁性；软磁性；(4)可在低磁场下驱动可在低磁场下驱动；(5)居里温度高；居里温度高；(6)在使

4、用气氛中磁致伸缩特在使用气氛中磁致伸缩特性对温度的变化不敏感；性对温度的变化不敏感；(7)高可靠性；高可靠性；(8)环保性优良，兼备市场竞争力。环保性优良，兼备市场竞争力。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目6.2 超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料一、一、超磁致伸缩材料种类超磁致伸缩材料种类（1）稀土金属）稀土金属稀稀土土金金属属、特特别别是是重重稀稀土土金金属属在在低低温温下下具具有有很很大大的的磁磁致致伸伸缩。但稀土金属的居里温度较低，在室温下不能直接应用。缩。但稀土金属的居里温度较低，在室温下不能直接应用。认识

5、到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目（2）稀土）稀土-过渡金属间化合物过渡金属间化合物稀土稀土-过渡金属形成的化合物过渡金属形成的化合物具有具有较高的较高的居里居里温度温度。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目（3）非晶薄膜合金）非晶薄膜合金采采用用溅溅射射方方法法制制备备稀稀土土-过过渡渡金金属属非非晶晶薄薄膜膜，非非晶晶薄薄膜膜具具有有良好的软磁性能，其在低磁场下的磁致伸缩显著提高良好的软磁性能，其在低磁场下的磁致伸缩显著提高。（4

6、）稀土氧化物）稀土氧化物一一些稀土氧化物在低温下具有很大的磁致伸些稀土氧化物在低温下具有很大的磁致伸缩。缩。如如Tb3Fe5O12在在4.2K时时，磁磁致致伸伸缩缩(111)为为246010-6，在在78K时，为时，为56010-6。（5）锕系金属化合物）锕系金属化合物锕系元素与铁及其他元素形成的化合物在低温下也具有较锕系元素与铁及其他元素形成的化合物在低温下也具有较大的磁致伸缩，有的甚至超过了稀土化合物。但它们的居大的磁致伸缩，有的甚至超过了稀土化合物。但它们的居里温度只有里温度只有100K左右，难以在工程中实际应用。左右，难以在工程中实际应用。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药

7、，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目二、二、Tb-Dy-Fe超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料1、Tb-Dy-Fe系合金的磁致伸缩特性系合金的磁致伸缩特性稀稀土土-过过渡渡金金属属系系是是最最具具应应用用前前景景的的化化合合物物系系。其其中中，REFe2系系立立方方Laves相相化化合合物物不不仅仅磁磁致致伸伸缩缩应应变变大大，而而且且居居里温度也较高，是最主要的合金系。里温度也较高，是最主要的合金系。缺点：磁晶各向异性能很高，使用时需要强磁场。缺点：磁晶各向异性能很高，使用时需要强磁场。方方案案：利利用用各各向向异异性性常常数数符符号号相相反反的的不不同同ReF

8、e2合合金金相相混混合合，可获得较低磁晶各向异性能的磁致伸缩材料。可获得较低磁晶各向异性能的磁致伸缩材料。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目*研研究究表表明明：有有最最佳佳磁磁致致伸伸缩缩特特性性和和实实用用价价值值的的是是被被称称为为Terfenol-D的的Tb-Dy-Fe系合金。系合金。2、磁致伸缩与合金组成的关系、磁致伸缩与合金组成的关系对对于于Tb0.27Dy0.73Fe2-y合合金金，在在y=0.15和和y=0.025处处各各出出现现一一个个磁磁致致伸伸缩缩峰峰值值，对对于于TbxDy1-xFe2合合

9、金金，当当x=0.7时时，磁磁致致伸伸缩缩也也出出现现一一个个峰峰值值。对对四四元元系系合合金金，第第四四组组元元Mn对对合合金金磁致伸缩性能也有影响，在磁致伸缩性能也有影响，在Mn含量约为含量约为0.125时出现峰值。时出现峰值。3、磁致伸缩与温度的关系、磁致伸缩与温度的关系 稀稀土土-铁铁化化合合物物随随着着温温度度的的改改变变，会会产产生生自自旋旋再再取取向向，易易磁磁化轴方向也会发生变化。化轴方向也会发生变化。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目4、磁致伸缩与预应力的关系、磁致伸缩与预应力的关系稀稀土土-

10、铁铁合合金金外外加加预预应应力力时时，磁磁性性体体会会发发生生变变形形，磁磁化化和和磁磁各各向向异异性性发发生生变变化化，可可获获得得更更理理想想的的磁磁畴畴排排列列，从从而而提提高高磁磁致致伸伸缩缩特特性性。在在磁磁场场作作用用下下，会会产产生生磁磁致致伸伸缩缩的的跃跃变变效效应应。机机理理：无无外外场场时时，磁磁畴畴在在外外压压力力作作用用下下沿沿优优先先排排列列，有有外外场场时时，磁磁畴畴发发生生大大部部分分的的突突然然转转向向，产产生生强强制制的的磁致伸缩跃变。磁致伸缩跃变。6.3 超磁致伸缩的产生机理超磁致伸缩的产生机理*目目前前普普遍遍认认为为，超超磁磁致致伸伸缩缩现现象象是是由由

11、于于晶晶体体在在特特定定方方向向的的电子分布受磁场的影响更大所电子分布受磁场的影响更大所致。致。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目*在在同同一一晶晶胞胞中中，稀稀土土原原子子的的自自旋旋磁磁矩矩与与相相邻邻稀稀土土原原子子平平行行而而与与相相邻邻铁铁原原子子反反平平行行。铁铁亚亚晶晶格格的的各各向向异异性性比比稀稀土土亚亚晶晶格格小小得得多多，稀稀土土-铁铁化化合合物物室室温温下下的的超超磁磁致

12、致伸伸缩缩和和磁磁各各向向异异性性都都来来源源于于稀稀土土原原子子。稀稀土土原原子子拥拥有有较较大大的的原原子子磁磁矩矩和和巨巨大的磁各向异性，这正是产生超磁致伸缩的内禀条件。大的磁各向异性，这正是产生超磁致伸缩的内禀条件。*在在Laves相相中中，不不同同晶晶体体学学方方向向原原子子的的排排列列不不同同，方方向向为为原原子子最最密密排排方方向向。若若施施加加磁磁场场，电电子子云云的的空空间间分分布布发发生生变变化化，从从而而原原子子间间的的作作用用力力发发生生变变化化。构构成成四四面面体体的的原原子子间间的的引引力力增增强强，从从而而原原子子间间的的距距离离略略有有缩缩短短。另另一一方方面面

13、，联联系系四四面面体体和和四四面面体体的的引引力力减减弱弱，从从而而造造成成较较大大的的伸伸长长。与收缩量相比伸长量要大得多，从而产生超磁致伸缩。与收缩量相比伸长量要大得多，从而产生超磁致伸缩。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目*在在Laves相相化化合合物物中中，沿沿晶晶体体方方向向的的磁磁致致伸伸缩缩量量最最大大，对于实际应用来说，对于实际应用来说，方向效果最好。方向效果最好。认识到了贫困户

14、贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目6.4 超磁致伸缩合金的制备超磁致伸缩合金的制备一、合金棒材、定向晶及单晶的制备一、合金棒材、定向晶及单晶的制备1、棒材制备的主要方法、棒材制备的主要方法（1）压力差法）压力差法将将配配制制熔熔炼炼好好的的母母合合金金放放于于坩坩锅锅内内，置置于于可可抽抽真真空空和和加加压压的的容容器器里里。容容器器上上部部通通过过密密封封环环插插入入可可移移动动的的带带石石英英管管的的杆杆。抽抽真真空空，熔熔化化合合金金并并保保温温一一定定时时间间。将将石石英英管管插插入入熔熔体中，充氩加压将熔体压入石英

15、管中，冷却后即成棒材。体中，充氩加压将熔体压入石英管中，冷却后即成棒材。（2）合金熔体顺序凝固法）合金熔体顺序凝固法坩坩锅锅底底部部有有一一浇浇注注孔孔。氧氧化化铝铝热热电电偶偶保保护护管管从从上上方方插插入入注注孔孔作作为为注注塞塞棒棒。坩坩锅锅孔孔下下部部安安装装铸铸模模，铸铸模模底底部部安安装装水水冷冷铜铜盘盘。加加热热熔熔化化坩坩锅锅中中的的合合金金并并保保温温一一定定时时间间，然然后后提提起起注注塞塞棒棒，使使合合金金充充满满铸铸模模并并自自下下而而上上定定向向凝凝固固，可可制制备备具具有晶粒取向的合金棒材。有晶粒取向的合金棒材。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药

16、到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目2、定向晶及单晶制备的主要方法、定向晶及单晶制备的主要方法（1）Bridgman法法将将预预先先熔熔炼炼的的母母合合金金放放于于坩坩锅锅中中，用用电电阻阻丝丝或或高高频频感感应应加加热热熔熔化化合合金金，然然后后以以一一定定的的速速度度使使坩坩锅锅下下降降或或使使热热源源上上移移(以以形形成成定定向向温温度度梯梯度度)，进进行行单单向向凝凝固固以以得得到到定定向向晶晶或或单单晶晶。晶体取向为晶体取向为方向。方向。（2）区熔法）区熔法分分为为垂垂直直悬悬浮浮区区熔熔法法和和水水平平区区熔熔法法。先先将将合合金金熔熔炼炼成成棒棒材材，

17、然然后后用用感感应应加加热热进进行行区区域域熔熔化化，以以得得到到定定向向晶晶或或单单晶晶。晶晶体取向为体取向为方向。方向。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目（3）提拉法）提拉法将将预预先先制制备备的的合合金金置置于于坩坩锅锅中中，用用电电阻阻丝丝、高高频频感感应应或或电电弧弧加加热热熔熔化化合合金金，用用籽籽晶晶以以一一定定速速度度向向上上提提拉拉，熔熔体体逐逐渐渐固化而生长出定向晶或单晶。提拉的晶体具有固化而生长出定向晶或单晶。提拉的晶体具有取向。取向。*常常用用的的Terfenol-D合合金金的的产产业业

18、化化制制备备方方法法主主要要是是区区熔熔技技术术和改进的和改进的Bridgman技术。技术。二、粉末冶金制备二、粉末冶金制备1、合金粉末直接烧结法、合金粉末直接烧结法将将组组成成元元素素稀稀土土金金属属和和铁铁用用电电弧弧炉炉或或感感应应炉炉熔熔炼炼成成合合金金，于于1000均均匀匀化化处处理理。破破碎碎并并球球磨磨成成几几十十微微米米的的颗颗粒粒，经经丙丙酮酮清清洗洗并并真真空空干干燥燥后后，将将粉粉末末装装入入橡橡皮皮管管中中，等等静静压压成成型型，压压制制出出的样品用钽箔包好，放入真空炉中于一定温度下烧结成产品。的样品用钽箔包好，放入真空炉中于一定温度下烧结成产品。认识到了贫困户贫困的根

19、本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目2、磁场热处理烧结法、磁场热处理烧结法在在橡橡皮皮管管两两端端加加上上一一个个直直流流磁磁场场，并并叠叠加加交交流流磁磁场场，使使粉粉末末产产生生振振动动，以以便便更更容容易易使使粉粉末末定定向向。也也可可将将交交流流磁磁场场换换为脉冲磁场。在磁场中机械加压压实粉末，然后再烧结。为脉冲磁场。在磁场中机械加压压实粉末，然后再烧结。得到的样品具有较高的密度，具有得到的样品具有较高的密度，具有易磁化轴的取向。易磁化轴的取向。3、其它粉末冶金方法、其它粉末冶金方法用用真真空空感感加加炉炉熔熔炼炼合合金金，熔

20、熔体体急急冷冷成成小小于于15 m的的非非晶晶态态，再再进进行行晶晶化化热热处处理理，得得到到的的结结晶晶态态微微粒粒，然然后后用用粉粉末末烧烧结结方法制成样品。方法制成样品。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目6.5 磁致伸缩材料的应用磁致伸缩材料的应用一、一、磁致伸缩材料的应用基础磁致伸缩材料的应用基础（1）磁致伸缩效应）磁致伸缩效应(Joule效应效应)制作磁致伸缩制动器制作磁致伸缩制动器（2）磁致伸缩逆效应）磁致伸缩逆效应(Villari效应效应)制作磁致伸缩传感器制作磁致伸缩传感器（3）E效效应应：磁磁

21、致致伸伸缩缩材材料料由由于于磁磁化化状状态态的的改改变变而而引引起起自身杨氏模量发生变化的现象，可用于声延迟线。自身杨氏模量发生变化的现象，可用于声延迟线。（4）魏魏德德曼曼效效应应(Viedemann效效应应)：在在磁磁性性体体上上形形成成适适当当的的磁磁路路，当当有有电电流流通通过过时时，磁磁性性体体发发生生扭扭曲曲变变形形的的现现象象，可用于扭转马达。可用于扭转马达。（5）魏魏德德曼曼逆逆效效应应(Anti-Viedeman效效应应)：使使圆圆管管状状磁磁致致伸伸缩缩材材料料沿沿管管轴轴发发生生周周向向扭扭曲曲，同同时时沿沿轴轴向向施施加加交交变变磁磁场场，则沿圆周出现交变磁化的现象，可

22、用于扭转传感器。则沿圆周出现交变磁化的现象，可用于扭转传感器。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目二、声学领域二、声学领域的应用的应用1、声纳系统、声纳系统电电磁磁波波常常被被用用于于通通讯讯和和探探测测等等方方面面。但但在在水水下下它它因因衰衰减减过过快快而而无无法法利利用用，于于是是人人们们利利用用声声波波及及超超声声波波讯讯号号来来进进行行水水下下通通讯讯、探探测测、遥遥控控等等工工作作，声声纳纳就就成成为为潜潜艇艇的的口口、眼眼。早早先先采采用用的的都都是是压压电电材材料料，但但它它们们有有以以下下缺缺点

23、点：(1)机机电电转转换换系系数数低低，输输出出功功率率低低；(2)响响应应频频率率高高，信信号号在在水水下下衰衰减减快、传输距离小；快、传输距离小；(3)在数千伏的高压下工作，安全性差。在数千伏的高压下工作，安全性差。自自从从大大应应变变和和低低响响应应频频率率的的REFe2压压磁磁材材料料出出现现以以来来，声声纳性能大大改善，海底探测距离已达到数千公里。纳性能大大改善，海底探测距离已达到数千公里。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目应应用用领领域域：海海底底通通讯讯、海海底底测测绘绘、海海洋洋捕捕捞捞、矿矿藏

24、藏勘勘探探、油油井井测测探探、超超声声邻邻近近传传感感器器、超超声声焊焊接接、超超声声无无损损探探伤伤、超声全息摄像、超声体外排石等等。超声全息摄像、超声体外排石等等。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目2、声延迟线、声延迟线REFe2等等化化合合物物的的弹弹性性模模量量E随随磁磁场场的的改改变变变变化化极极大大，由由于于E的的变变化化，声声速速也也随随磁磁场场发发生生显显著著改改变变。利利用用这这种种效效应应，美美国人国人Arthur.E.Clark研制成可变延迟线。研制成可变延迟线。三、伺服领域三、伺服领域的

25、应用的应用*伺伺服服机机构构是是将将电电信信号号及及磁磁信信号号等等的的能能量量变变换换为为机机械械能能的的机机构。构。*利利用用REFe2材材料料的的低低场场大大应应变变、大大输输出出应应力力、高高响响应应速速度度且且无无反反冲冲的的特特征征，可可以以制制成成结结构构简简单单的的微微位位移移致致动动器器，广广泛泛用用于于超超精精密密定定位位、激激光光微微加加工工、精精密密流流量量控控制制、原原子子力力显微镜、数控车床、机器人和阀门控制等方面。显微镜、数控车床、机器人和阀门控制等方面。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶

26、贫”项目认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目三、力学传感领域三、力学传感领域1、静应力传感领域、静应力传感领域利利用用应应变变导导致致磁磁特特性性的的变变化化从从而而输输出出电电压压发发生生变变化化的的现现象象，用用于于磁磁应应变变传传感感器器检检测测料料斗斗的的料料位位。把把测测力力器器放放在在料料斗斗支支持持部部位位，与与负负载载成成比比例例的的输输出出电电压压经经放放大大比比较较后后自自动动触触发发上上/下限位开关从而实现料位的在线监测和实时控制。下限位开关从而实现料位的在线监测和实时控制。2、振动、冲击应

27、力传感器领域、振动、冲击应力传感器领域在在机机器器人人领领域域，通通常常的的磁磁致致伸伸缩缩器器件件原原型型有有3种种。以以c为为例例，当当处处于于受受力力状状态态时时，x方方向向和和y方方向向的的磁磁场场不不再再均均匀匀分分布布，这这样样就就会会在在输输出出线线圈圈中中产产生生磁磁通通，激激发发线线圈圈上上成成比比例例的的2次次电压信号。利用它做传感器，可精确感受电压信号。利用它做传感器，可精确感受0.0lg的质量。的质量。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目3、扭转传感领域、扭转传感领域扭矩传感器、阻尼减震系统扭矩传感器、阻尼减震系统认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目