第8章超磁致伸缩材料及其智能化应用-石雅莹讲解.ppt

第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用 * 第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用 磁致伸缩材料在磁场作用下具有较强的磁致伸缩效应，它们在磁场作用下，尺寸或体积可以改变。可作为智能驱动器材料，也可作为应力或应变传感器材料。 近些年来开发的稀土超磁致伸缩材料(如Terfenol-D(Tb0.27Dy0.73Fe2)的磁致伸缩效应比一般磁致伸缩合金高一个数量级；比电致伸缩材料具有更大的应变和更宽的适用温度范围。用于微步进旋转马达能精确地微移动，且关闭电源时有制动能力。在机器人上也有重要应用。 与形状记忆合金、压电陶瓷相比，这类材料的特点是对电力要求不大、位移量中等、响应速度慢、滞性较大。 * * 为三种材料性能特点比较表 8.1磁致伸缩效应及其表征 8.1.1磁致伸缩效应 在磁场中磁化状态改变时，铁磁和亚铁磁材料引起尺寸或体积微小的变化，称为磁致伸缩。 磁致伸缩可分为两种。 1)线磁致伸缩 当磁体磁化时，伴有晶格的自发变形，即沿磁化方向伸长或缩短，称为线磁致伸缩。变化的数量级为10-6-10-5。发生线磁致伸缩时，体积几乎不变。 2)体积磁致伸缩 磁体磁化时体积发生膨胀或收缩的现象。饱和磁化以后主要是体积变化产生体积磁致伸缩。 一般磁致伸缩均指线磁致伸缩。 * 8.1.2磁致伸缩系数 ◆磁致伸缩效应的大小用磁致伸缩系数表示。 线磁致伸缩系数， 以 表示。 体积磁致伸缩系数，以 表示。 ◆沿不同方向测量出的不同。有纵向磁致伸缩系数和横向磁致伸缩系数 ◆饱和磁致伸缩系数 可正、可负 ●铁磁材料的磁致伸缩系数 随磁场的变化见图 ●磁致伸缩也有磁滞现象。当磁场由正到负循环变化一周时，可得到一条磁致伸缩系数的回线。 * 8.1.3磁致伸缩的唯象理论 8.1.3.1立方晶系磁致伸缩系数的简单表达式 立方晶体(如Ni和Fe)的磁致伸缩系数： 几种铁磁体的磁致伸缩系数 * 8.1.3.2立方晶系和六方晶系磁致伸缩系数表达式 立方晶系 六方晶系 * 立方晶系和六方晶系对称的磁致伸缩模式 * 8.1.4磁体产生磁致伸缩的机理 产生磁致伸缩的原因 (1)自发磁致伸缩(或称自发形变)。磁体由高温冷却，通过居里温度(TC )变为铁磁(亚铁磁)状态，自发磁化形成磁畴，伴随有体积和形状的改变。 (2)磁场磁化过程的磁致伸缩(又称场致形变)。在磁化未饱和状态之前，主要是磁体长度的变化，即线磁致伸缩，体积几乎不变；饱和磁化以后主要是体积的变化，即体积磁致伸缩。体积磁致伸缩是交换作用引起的。线磁致伸缩与磁化过程有关。 (3)形状效应，是由于退磁能引起的。这一效应比前两者小。 * 8.1.5稀土离子超磁致伸缩的起源 在稀土金属和合金或金属间化合物中，超磁致伸缩主要起源于稀土离子中局域的4f电子。由于4f电子受外层电子的屏蔽，所以L-S耦合作用比稀土离子和晶格场的作用要大一两个数量级，和3d过渡族金属不同，稀土离子的轨道角动量并不冻结。 稀土离子的4f轨道是强烈各向异性的，在空间某些方向伸展得很远，在另外一些方向又收缩得很近。当自发磁化时，由于L-S耦合及晶格场的作用，使4f电子云在某些特定方向上能量达到最低，这就是易磁化方向。大量稀土离子的“刚性”4f轨道就这样被“锁定”在某几个特殊的方向上，引起晶格沿着这几个方向有大的畸变，当施加外磁场时就产生了大的磁致伸缩。 * 8.1.6其他表征磁致伸缩材料性能的参数 机电耦合系数 机电耦合系数是磁致伸缩材料一个重要的性能参数 ， 通过测量含磁致伸缩材料线圈的复数阻抗，一般就可得到机电耦合系数k。可以定义一个与几何形状无关的材料的机电耦合系数k33。对于圆截面的环状样品， k33 = k；对于细长棒状样品 k33= 其他表征磁致伸缩材料性能的参数 饱和磁化强度Ms 磁晶各向异性常数K1 居里温度Tc。 * * 8.2超磁致伸缩材料 超磁致伸缩材料指具有大的饱和磁致伸缩系数的材料。其λs一般大于30×10-6。 高磁致伸缩金属与合金大体分为三类。 1)传统的金属与合金 这类金属与合金包括纯镍、镍钴合金（95%Ni-Co)、铁镍合金（45%Ni-Fe）、铁铝合金（13%Al-Fe）、铁钴合金（65%Co-Fe）等。这类金属与合金的饱和磁致伸缩系数 为（±30~70)×10-6,机电耦合系数k为0.15~0.5，电阻率 T较低。 2)非晶态合金 这类合金包括Fe80B15Si5、Fe66Co12B14