智能材料-磁致伸缩材料

1智能材料IntelligentMaterials主讲：李明田Email:[e-mail]:13890059071/622182第六章第六章磁致伸缩材料磁致伸缩材料MagnetostrictiveMagnetostrictiveMaterialsMaterials31、磁致伸缩效应•1842年，焦尔发现：当磁性体（如金属Fe、Ni等）的磁化状态改变时，其外型尺寸或体积会发生微小的变化，这就是磁致伸缩效应，又称焦尔效应。磁性材料在外磁场作用下，产生伸长或缩短的现象Fe随磁场强度的增大而伸长Ni随磁场强度的增大而缩短逆效应：压磁效应42、磁致收缩的模式磁致伸缩：线磁致伸缩和体积磁致伸缩当磁性体被磁化时，沿磁化方向伸长或缩短，称为线磁致伸缩。发生线磁致伸缩时，磁性体的体积几乎不变。当磁化未达到饱和时，主要是产生线磁致伸缩，磁致伸缩一般均指线磁致伸缩。磁性体磁化状态改变时，体积发生膨胀或收缩的现象则称为体积磁致伸缩。磁性体磁化饱和以后主要产生体积磁致伸缩。563、磁致伸缩材料磁致伸缩材料：具有磁致伸缩效应的磁(电)—机械能转换材料λ为磁致伸缩系数l为材料原来的长度，Δl为在磁场H作用下的长度改变量常用磁致伸缩材料室温下的饱和磁致伸缩系数为10-8~10-6llsλ超磁致伸缩材料λs3×10-57常用磁致伸缩材料镍铁镍铁铝铁钴钒铁氧体8（1）金属磁致伸缩材料。饱和磁化强度较高，力学性能好，可承受较高的功率，但电阻率低，不适用于高频段。常用的有铁基合金、镍基合金。（2）铁氧体磁致伸缩材料。饱和磁化强度较低，材料的气隙率影响其力学性能，故不能承受较高功率，但电阻率高，可用于高频段。（3）巨磁致伸缩材料。磁致伸缩系数（材料在磁场力作用下产生的伸缩量与材料原长度之比）远高于常规材料，耦合系数也高；缺点是所需磁化场强高。920世纪40年代，主要为镍(Ni)，钴(Co)和以镍为基的材料。但是它们的λs只有10-6~10-5数量级。4、磁致伸缩材料的发展60年代稀土纯金属：：λs比传统磁致伸缩材料比传统磁致伸缩材料((镍等镍等))大大100100--10001000倍，但倍，但居里温度低。。70年代初稀土合金与稀土合金与FeFe、、CoCo、、NiNi合金化合金化——REFe2立方立方晶相；晶相；室温超λs，但需强磁场。。10-3~10-2数量级1971年，美国海军武器中心的Clark等发现了具有立方相结构的REFe2型二元稀土化合物，其室温下的λs，达2600×10-6。1950年，AlferFe-13%Al合金，λs=10-410Tb0.27Dy0.73Fe1.9380年代中期开始商品化的GMM美国Etrema公司Terfenol-D品牌；瑞典FeredynAB公司的Magmek8620世纪90年代以来，超磁致伸缩薄膜的制备及磁致伸缩性能的应用瑞典、日本、英国11我国：始于上世纪90年代主要研究单位：北京有色金属研究总院、北京钢铁研究总院、中科院物理所、中科院金属所、包头稀土院、北京科技大学理论研究：达到或接近国外先进水平；生产、应用：仍有明显差距。国内生产REGMsM晶体的公司：常州市武进稀土智能材料股份有限公司、甘肃兰州天星公司，西安海晶公司以及营口新城和广州的公司。124、磁致伸缩材料的特性Joule效应：磁性体被外加磁场磁化时，其长度发生变化---磁致伸缩制动器Villari效应：在一定磁场中，给磁性体施加外力作用，其磁化强度发生变化，即逆磁致伸缩现象---磁致伸缩传感器ΔE效应：随磁场变化，杨氏模量也发生变化压磁效应杨氏模量通常表示材料硬度值，定义为材料中应力改变和应变改变的比值。对于传统材料，其数值是恒定的，并反映出材料的物理特性。但对于能够将能量从一种状态转换为另一种状态的超磁致伸缩材料等主动产生应变的材料，其应变和应力关系相互影响，并与材料的磁状态耦合，从而成为材料磁状态的函数，此时的杨氏模量不能再作为常数考虑。13Viedemann效应：在磁性体上形成适当的磁路，当有电流通过时，磁性体发生扭曲变形---扭转马达Anti-Viedemann效应：使磁性体发生机械扭曲，且在二次线圈中产生电流---扭转传感器Jump效应：超磁致伸缩材料，外加预应力时，磁致伸缩随外场而有跃变式增加，磁化率也改变---各种器件14磁致伸缩效应的表征★磁致伸缩系数在磁化过程中，磁体沿磁化方向单位长度上发生的长度变化——线磁致伸缩系数λ。λ＝Δl/ll——磁体的原始长度Δl——磁化后长度的改变λ与测量方向有关∥磁场方向—纵向磁致伸缩系数λ∥（默认）⊥磁场方向—横向磁致伸缩系数λ⊥15λ是磁场和温度的函数温度一定，λ的绝对值随磁场增大而增大，达到饱和磁化时，达到一稳定的饱和值——饱和磁致伸缩系数λs（常数）。λs可正、可负铁：随磁化强度M的增加沿磁化方向伸长，正λs；镍：随磁化强度M的增加沿磁化方向缩短，负λs。λs的方向性单晶体：各向异性，默认平行于磁场方向的λs；多晶体：各向同性，各晶粒λs的统计平均值。16★磁致伸缩率磁致伸缩系数(通常指平行于外磁场方向)随外磁场变化的变化率。17具有空间取向性；磁致伸缩系数随外磁场非线性变化；微分磁致伸缩率：曲线上各点切线的斜率；线性区:磁致伸缩系数随外磁场线性变化，各点的微分磁致伸缩率相等且绝对值较高；——材料或器件工作最为有利磁致伸缩智能器件设计：评价材料性能——线性区微分磁致伸缩率在在线性区工作；工作；线性区：线性区：宽；；线性区线性区起始磁场强度：小。。18★机电耦合系数(磁弹性耦合系数或磁机械耦合系数)磁能可以转换成机械(弹性)能的那部分；已贮存的机械(弹性)能中可以转换成磁能的部分。对于没有损耗或有辐射的磁机械振子，k2表示每个周期内k2=Ec/Ee，通常用Qm表示19从实用角度来看，磁致伸缩材料应具备以下特性：变位量及产生的应力要大软磁性可在低磁场下驱动居里温度高在使用气氛中磁致伸缩特性对温度的变化不敏感高可靠性环保性优良，兼备市场竞争力205稀土超磁致伸缩材料(1)高磁致伸缩金属与合金分类1)传统金属与合金纯镍、镍钴合金(95%Ni-Co)、铁镍合金(45%Ni-Fe)、铁铝合金(13%A1-Fe)、铁钴合金(65%Co-Fe)等。λs：(±30-70)×10-6；k：0.15-0.5居里温度较低21居里温度较高，可实用222)非晶态合金Fe80B15Si5、Fe66Co12B14Si8等。λs：(30-45)×10-6；k：0.68-0.82。采用溅射方法制备稀土-过渡金属非晶薄膜，具有良好的软磁性，在低磁场下的磁致伸缩显著提高3)稀土氧化物一些稀土氧化物在低温下具有很大的磁致伸缩Tb3Fe5O12：4.2K时，λ111为2460×10-6，78K时，为560×10-5234)稀土铁系金属间化合物TbFe2；以Tb1-xDyxFe2化合物为基的合金如Tb0.3Dy0.7Fe2等。k：约0.6；λs极高：1500-2000×10-6，比传统磁致伸缩材料大1～2个数量级，故称为稀土超磁致伸缩材料(giantmagnetostrictivematerial，GMM)。24Terfenol-D与纯镍及PZT物理性能对比性能参数Terfenol-D纯镍压电陶瓷Tb0.27Dy0.73Fe1.9398%NiPZT-4PZT-8杨氏模量(GPa)26.5206113111声速(m/s)1690490041504500居里温度(oC)387354300300伸缩系数(10-6)1500~2000-40400250机电耦合系数0.720.16~0.250.680.5~0.6动态伸缩系数(nm/A)1.7------动态伸缩系数(nm/V)----0.4960.225相对磁导率9.360--25(2)稀土超磁致伸缩材料的优点2)高机电转换效率。能量转换效率可达70%，而镍基磁致伸缩材料不到20%，压电陶瓷为40-50%。——实现电(磁)－机械能量转换的优异功能材料。1)高磁致伸缩系数。室温下可达1500～2000×10-6，最佳：2500×10-6，比传统材料高数百倍。3)输出应力大，能量密度高，比镍大400-500倍，比压电陶瓷大14-30倍，应变产生的推力大，输出功率比PZT材料高数十倍。工作要求电压低，电池就可驱动。有利于器件的轻量化、小型化及低成本。4)机械响应速度快。仅10-6s级且可电控。268)具有逆磁致伸缩效应。可制作压力传感器，驱动器和传感器可合为一体。5)磁致伸缩变形的线性范围大。有利于磁致伸缩量的准确控制，精度可达纳米级。6)频率特性好、频带宽。可在低频(几十赫兹)和高频下工作。7)居里温度高，可适用于高温环境。9)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。276超磁致伸缩的产生机理目前普遍认为，超磁致伸缩现象是由于晶体在特定方向的电子分布受磁场的影响更大所致28在同一晶胞中，稀土原子的自旋磁距与相邻稀土原子平行而与相邻铁原子反平行。铁亚晶格的各向异性比稀土亚晶格小得多，稀土-铁化合物室温下的超磁致伸缩和磁各向异性都来源于稀土原子。稀土原子拥有较大的原子磁矩和巨大的磁各向异性，这正是产生超磁致伸缩的内在条件。在Laves相中，不同晶体学方向原子的排列不同，111方向为原子最密排方向。若施加磁场，电子云的空间分布发生变化，从而原子间的作用力发生变化，构成四面体的原子间的引力增强，从而原子间的距离略有缩短。另一方面，联系四面体和四面体的引力减弱，从而造成较大的伸长，与收缩量相比伸长量要大得多，从而生产超磁致伸缩。2930316超磁致伸缩合金的制备一、合金棒材、定向晶及单晶的制备32333435磁致伸缩液位传感器磁致伸缩位移传感器36稀土超磁致伸缩材料的智能化应用用作：功率电－声换能器、电－机换能器、传感器和电子器件等。机械能或声能(或机械位移信息或声信息)电磁能(或电磁信息)应用领域：水声声纳技术、电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、精密定位、减振(噪)与防振(噪)系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域。军民两用、高附加值37（（11）磁）磁((电电))－声转换技术中的应用－声转换技术中的应用★大功率低频发射声纳理想材料：超磁致伸缩材料。声纳（发射和接受声信号的器件）发展方向：声纳（发射和接受声信号的器件）发展方向：低频(2kHz(2kHz以下以下))：声信号衰减小，传送距离：声信号衰减小，传送距离远，受潜艇涂层噪音干扰小，打破敌方舰艇远，受潜艇涂层噪音干扰小，打破敌方舰艇隐身技术隐身技术；；大功率：可探测更远距离的目标；：可探测更远距离的目标；宽频带：提高声信号的分辨率。：提高声信号的分辨率。38美国海军美国海军TerfenolTerfenol--DD声纳声纳陆地声纳：地质科学与工程、石油工业陆地声纳：地质科学与工程、石油工业39★大功率超声换能器功率：功率：66--2525千瓦，是压电换能器最大功率的十倍；千瓦，是压电换能器最大功率的十倍；40应用领域：加工制造业、医学和民用的超声清洗、应用领域：加工制造业、医学和民用的超声清洗、加工、分散和乳化、声化等。加工、分散和乳化、声化等。超声清洗：超声振动使液体产生：超声振动使液体产生““空化效应空化效应””，瞬间，瞬间产生大量气泡并破裂，产生局部高温、产生大量气泡并破裂，产生局部高温、高压和机械冲击力，清除物件表面杂质、高压和机械冲击力，清除物件表面杂质、污垢或油腻；污垢或油腻；波动采油：可提高油井产油量：可提高油井产油量20%20%～～100%100%；；超声焊接：利用超声波的机械振动，使被焊接件：利用超声波的机械振动，使被焊接件在一定压力下通过原子键的联合，实在一定压力下通过原子键的联合，实现固相连接；现固相连接；废旧轮胎脱硫：将破碎的橡胶脱硫后再制成新轮胎，：将破碎的橡胶脱硫后再制成新轮胎，可长时间连续工作可长时间连续工作。。41★高保真平板扬声器优点：振动力大、音质