稀土超磁致伸缩材料的研究

稀土超磁致伸缩材料的研究目录1.磁致伸缩效应2.稀土超磁致伸缩材料的成分3.稀土超磁致伸缩材料的性能特点4.稀土超磁致伸缩材料的应用5.我国发展水平6.发展前景磁致伸缩效应是铁磁物质（磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化的现象。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。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）λ来描述，λ=（l—lo）/lo，lo为原来的长度，l为物质在外磁场作用下伸长（或缩短）后的长度。一般铁磁性物质的λ很小，约百万分之一，通常用ppm代表。例如金属镍（Ni）的λ约40ppm。稀土超磁致伸缩材料的成分关于稀土超磁致伸缩材料成分的研究包括两个方面的内容：一方面是研究用不同的稀土元素和铁的化合物组合获得不同性能的磁致伸缩材料，如:Sm0.85Dy0.15Fe2、Tb0.15Ho0.85Fe2、Tb0.20Dy0.22Ho0.58Fe2等，特别是Sm-Dy-Fe化合物具有负的磁致伸缩系数，可以用于一些特殊场合，与Tb-Dy-Fe合金相配合可以制造杠杆放大机构等。另一方面就是用其它元素Co、Ni、Mn、Al、B、Ti、V、Zr、Ca部分地置换赝二元化合物Tb-Dy-Fe化合物中的Fe，如果能够满足赝二元化合物磁晶各向异性补偿条件，又能提高Tb:Dy的比例，就能提高合金的磁致伸缩系数，从而改变Tb-Dy-Fe合金的磁致伸缩性能。北京科技大学新金属材料国家重点实验室根据我国稀土资源的情况,本着低成本的原则，采用低纯度稀土经过反复实验，筛选出了具有优异综合性能的Tb-Dy-Fe系新型合金成分，即Tb0.27-0.35Dy0.65-0.7(Fe1-xMx)1.95为Al、Mn、B、Ti、V和Zr等，x=0.00~0.15。表l列出了稀土超磁致伸缩材料、传统磁致伸缩材料及压电陶瓷材料的几个主要特性稀土超磁致伸缩材料的性能特点比较来看，稀土超磁致伸缩材料具有以下优点：1.其磁致伸缩应变量λ比纯Ni大50倍，比压电陶瓷（PZT）材料大5~25倍，比纯Ni和Ni－Co合金高400~800倍，如此大的应变量，可以实现很高的输出功率。2.材料的能量密度(J/m)高，比镍大400~500倍，比压电陶瓷大14~30倍。3.能量转换效率（用机电耦合系数K33表示）高达49~56%，而Ni基合金仅有9%，PZT材料仅有23~52%。4.产生伸缩的响应速度快，响应的时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时间）仅10一6s，比人的思维还快5.其弹性模量随磁场而变化，通过改变材料的制备及处理工艺还可以调整其弹性模量，为适应不同的应用场合提供了条件可调控。6.频率特性好，可在低频率（10至1000赫兹）下工作。工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。7.工作要求的电压低，用电池就可以驱动，这些特性都有利于器件的轻量化和小型化，也有利于降低成本。稀土超磁致伸缩材料的应用水深低频大功率换能器过去声呐的水声发射换能器主要用压电陶瓷材料（PZT）来制造。压电陶瓷材料声呐的水下工作小于100km，而稀土超磁致伸缩声呐超过104km。稀土超磁致伸缩制作的水声换能器的频率低，随舰艇隐身技术的发展，现代舰艇可吸收频率在3.0kHz以上的声波，起到隐身作用。低频可打破敌方舰艇的隐身技术。稀土超磁致伸缩制作的水声换能器发射功率大，可探测更远距离的目标体积小，重量轻，可提高舰艇的作战能力。我国研制的稀土超磁致伸缩材料性能与国外同类产品性能的比较我国发展水平从该表可以看出，北科大生产的定向凝固Tb-Dy-Fe合金样品的饱和磁致伸缩系数d33、磁弹祸合系数K33以及强制磁致伸缩系数λ都已达到甚至部分超过国际先进水平,低场下的磁致伸缩系数也接近了国际水平。多位置和大批量性能测试结果都表明,样品性能具有很好的重复性和一致性，材料的矫顽力小，磁滞回线窄，损耗低,材料的压缩强度达700MPa，脆性不显著。因此说我国制造的稀土超磁致伸缩材料的主要指标已达到或接近国际同类产品的性能指标。发展前景发展稀土超磁致伸缩材料对发展声呐技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术起到了关键的作用。随着稀土超磁致伸缩材料应用研究的发展，对材料的性能也会提出越来越高的要求。从应用角度考虑，磁致伸缩系数达到500-1000ppm，以利于缩小或简化外加磁场的电路或磁路装置，提高灵敏度；降低较高频率时的功率损耗,这样可以进一步扩展材料的应用频带宽度；不断改进和完善制造设备和工艺手段，制造出更大尺寸或复杂形状的样品。