超磁致伸縮材料

1、重 慶 科 技 學(xué) 院磁性材料課程論文論文題目：稀土超磁致伸縮材料的制備和應(yīng)用指導(dǎo)老師： 馬毅龍 姓 名： 汪永紅 學(xué) 號： 2009440547 年 級： 金屬材料工程09級2班 成 績： 評 語： 2012 年 6月 10 日稀土超磁致伸縮材料的制備和應(yīng)用汪永紅（重慶科技學(xué)院 冶金與材料工程學(xué)院，重慶401331）Fabrication and application of Rare Earth Giant Magneto-Stricfive MaterialsWang Yong-hong(School of Metallurgy and Materials Engineering of

2、Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China)摘要：稀土超磁致伸縮材料（Rare Earth Giant Magneto-Stricfive Materials)作為2l世紀一種最具有戰(zhàn)略性的材料，其優(yōu)良的特性和廣泛的應(yīng)用前景在國際范圍內(nèi)得到普遍重視，已成為磁致伸縮材料研究的重點。簡要介紹了稀土超磁致伸縮材料的概念、制備方法及其應(yīng)用，并指出了一些研究反方向。關(guān)鍵詞：稀土超磁致伸縮材料，制備，應(yīng)用Abstract：As a new strategic material in 21st century，R

3、E-GMSM has been taken into account and become the keystone on magneto-strictive material studies because of its superior properties and extensive application prospects. A brief description of the conception，fabrication and applications of REGMSM was presentedSome suggestions for the development dire

4、ctions were also mentionedKey Words：rare earth giant magneto-strictive materials；fabrication；application1 前言稀土超磁致伸縮材料（REGMM）主要是指稀土一鐵系金屬間化合物材料：鋱鏑鐵 (Tb-Dy-Fe) 磁致伸縮材料。這類材料具有比鐵、鎳等大得多的磁致伸縮值，磁致伸縮應(yīng)變( =II )比一般磁致伸縮材料高約100倍，因此被稱為稀土超磁致伸縮材料1。鐵磁性晶體在外磁場中被磁化時，其長度尺寸及體積大小均發(fā)生變化，去掉外磁場后，其又恢復(fù)原來長度與體積的現(xiàn)象被稱為磁致伸縮或磁致伸縮效應(yīng)2。磁致

5、伸縮可分為：線磁致伸縮和體積磁致伸縮3。當(dāng)磁性體被磁化時，沿磁化方向伸長或縮短，稱為線磁致伸縮。發(fā)生線磁致伸縮時，磁性體的體積幾乎不變。當(dāng)磁化未達到飽和時，主要是產(chǎn)生線磁致伸縮，磁致伸縮一般均指線磁致伸縮。磁性體磁化狀態(tài)改變時，體積發(fā)生膨脹或收縮的現(xiàn)象則稱為體積磁致伸縮。磁性體磁化飽和以后主要產(chǎn)生體積磁致伸縮。在絕大部分磁性體中，體積磁致伸縮很小，實際的用途也很少，因此很少考慮它。目前國內(nèi)外磁致伸縮材料主要有以下幾大類：(1)金屬與合金磁致伸縮材料。如：Ni金屬，NiCo合金，NiCo Cr合金等鎳和鎳基合金，F(xiàn)eNi合金，F(xiàn)e一 合金，F(xiàn)e.Co V合金等鐵基合金。(2)鐵氧體磁致伸縮材料。

6、如：NiCo和NiCo Cu等鐵氧體材料。(3)錒系金屬化合物4。（4）稀土過渡金屬間化合物磁致伸縮材料。其中以稀土過渡金屬間化合物磁致伸縮材料的研制開發(fā)最為成功，特別是鋱鏑鐵磁致伸縮合金(TerfenolD)的研制成功，更是開辟了磁致伸縮材料的新時代，成為稀土磁功能材料繼稀土永磁材料之后的第二次重要突破。目前稀土超磁致伸縮材料已被廣泛應(yīng)用于各種尖端技術(shù)和軍事技術(shù)中，對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化產(chǎn)生了重要的作用。近幾年來，國外發(fā)達國家在這方面的工藝研究和應(yīng)用研究已基本完成，開始向商品化的階段過渡，已開發(fā)出近千種應(yīng)用器件。我國在稀土超磁致伸縮材料上的研究始于上世紀90年代，至今已取得一定成果，理論研究已達

7、到或接近國外先進水平，但在規(guī)模化生產(chǎn)，產(chǎn)品應(yīng)用與開發(fā)等方面與國外仍有明顯差距1,5。2 稀土超磁致伸縮材料的制備方法稀土超磁致伸縮材料的制備方法主要有定向凝固法和粉末冶金法兩種1,5,6,7。2.1定向凝固法定向凝固法的目的是在一次相變成型過程中控制合金樣品的宏觀晶體取向和凝固組織結(jié)構(gòu)以提高其磁致伸縮性能。在理想情況下希望樣品的軸向為<l11>方向，因為研究表明，稀土磁致伸縮應(yīng)變具有各向異性特點，沿<111>方向最大。但實際上合金自身的特性及凝固特點決定了獲得理想凝固組織是非常困難的。定向凝固法又包括“丘克拉斯基法”、“布里奇曼法” 和“區(qū)熔法”三種8。2.1.1丘克拉

8、斯基法丘克拉斯基法又稱提拉法，是將一小籽晶在旋轉(zhuǎn)的同時從母合金熔液中以一定速度向上提拉，以這個小籽晶為基底，發(fā)生晶粒長大，長大方式為平而長大方式，長大以后的晶體取向與該籽晶晶體的取向一致。因此通過控制籽晶的晶體取向可以獲得<111>取向的合金樣品。用此法制備稀土超磁致伸縮材料還存在很多問題。通常為了保證樣品在旋轉(zhuǎn)提拉過程中的連續(xù)性及晶粒生長界面無成分過冷，提拉速度一般只有每秒幾微米，這樣低的速度不僅效率低、稀土元素揮發(fā)嚴重，還容易析出一些有害相，這將極大地降低樣品磁致伸縮性能。2.1.2 布里奇曼法布里奇曼法是將母合金置于Al203坩堝內(nèi)整體加熱熔化，然后向下抽拉熔化合金，逐漸移出

9、加熱區(qū)并發(fā)生順序凝固以形成定向凝固組織。這種方法主要控制參數(shù)是抽拉速率和固液界面溫度梯度。如果溫度梯度一定，抽拉速率的大小將影響合金的凝固特性，從而影響固液界面形態(tài)和最終凝固組織與晶體取向。此法制備稀土超磁致伸縮材料的主要問題是樣品整體加熱造成稀土燒損，同時難以實現(xiàn)高的溫度梯度。2.1.3 區(qū)熔法區(qū)熔法是將合金棒置于一單匝感應(yīng)線圈中，當(dāng)感應(yīng)線圈從合金棒的一端移向另一端時，整個合金棒順序經(jīng)歷了一次熔化凝固過程，從而形成定向凝固組織。與布里奇曼法相比，區(qū)熔法合金熔化時間短，有利于減少稀土元素的燒損，但同時為了保持定向凝固過程的穩(wěn)定性，此法感應(yīng)線圈的相對移動速度必須與加熱功率、熔化區(qū)寬度、液相溫度、

10、液相表面張力等參數(shù)相匹配，因此在控制上難度更大。以上3種定向凝固工藝普遍存在著工序長、效率低、操作困難、成本高、性能不均勻等缺點4。2.2 粉末冶金法粉末冶金法包括燒結(jié)法和粘結(jié)法。粉末冶金法與定向凝固法相比較具有效率高、成本低、產(chǎn)品機械性能好、利于制備形狀復(fù)雜的合金產(chǎn)品等優(yōu)點。2.2.1 燒結(jié)法燒結(jié)法制備稀土超磁致伸縮材料的主要工藝過程是：將一定成分合金在氬氣的保護下破碎，在酒精介質(zhì)中球磨，真空干燥后在模具中壓制成型，然后在氬氣保護下燒結(jié)。成型時應(yīng)用磁場取向和磁場熱處理可提高合金的磁致伸縮性能。粉末燒結(jié)法可制備形狀復(fù)雜的合金樣品和制備異形大尺寸元件9。相對生產(chǎn)效率高、成本低。2.2.2 粘結(jié)法

11、粘結(jié)法是指將經(jīng)過冶煉、研磨的合金粉末與樹脂、塑料或低熔點合金等粘結(jié)劑均勻混合，然后壓制、擠出或注射成型制成一定形狀的復(fù)合材料的過程。雖然粘結(jié)劑的加入引起了材料成分的變化，使材料密度降低，磁致伸縮性能有所下降，但粘結(jié)磁體具有工藝過程簡單，原材料利用率高，可制成形狀復(fù)雜的磁體，成本低廉等優(yōu)點，同時添加了粘結(jié)劑使材料的電阻增大，高頻特性明顯得到改善。因此，粘結(jié)工藝越來越引起人們的重視，特別是近幾年粘結(jié)NdFeB出現(xiàn)以后，粘結(jié)工藝飛速發(fā)展，得到了廣泛的應(yīng)用。3 稀土超磁致伸縮材料的應(yīng)用稀土超磁致伸縮材料的應(yīng)用是基于它的6個效應(yīng)。3.1 磁致伸縮材料的物理效應(yīng)磁致伸縮材料具有如下6種效應(yīng)10：l、磁致伸

12、縮效應(yīng)(焦耳效應(yīng))：材料在磁化狀態(tài)改變時， 自身尺寸發(fā)生相應(yīng)變化的一種現(xiàn)象。磁致伸縮有線磁致伸縮(長度變化)和體磁致伸縮(體積變化)之分。其中線磁致伸縮效應(yīng)明顯，用途廣泛，故一般提到的磁致伸縮都是指線磁致伸縮。2、磁致伸縮的逆效應(yīng)(villari效應(yīng))：對鐵磁體材料施加壓力或拉力，材料在長度發(fā)生變化的同時，內(nèi)部的磁化狀態(tài)也隨之改變的現(xiàn)象。3、威德曼效應(yīng)(Wiedemann效應(yīng))：在被磁化了的鐵磁體棒材中通電流時，棒材沿軸向發(fā)生扭曲的現(xiàn)象。4、威德曼效應(yīng)的逆效應(yīng)(Matteucci效應(yīng))：將鐵磁體棒材繞軸扭轉(zhuǎn)，并沿棒材的軸向施加交變磁場時沿棒材的圓周方向會產(chǎn)生交變磁場的現(xiàn)象。5、E效應(yīng)：磁致伸縮

13、材料由于磁化狀態(tài)的改變而引起自身楊氏彈性模量發(fā)生變化的現(xiàn)象。6、跳躍效應(yīng)(Jump效應(yīng))：當(dāng)磁致伸縮材料外加預(yù)應(yīng)力時，磁致伸縮呈跳躍式變化，磁化率也發(fā)生變化，即磁致伸縮不僅與外加磁場有關(guān)，還與外加載荷有關(guān)。因此，應(yīng)用超磁致伸縮材料時，一般均要加一定的預(yù)應(yīng)力。3.2 超磁致伸縮磁材料應(yīng)用正是由于上述效應(yīng)的存在，磁致伸縮材料才能廣泛應(yīng)用于超聲波、機器人、計算機、汽車、致動器、控制器、換能器、傳感器、微位移器、精密閥和防震裝置等領(lǐng)域。3.2.1 稀土超磁致伸縮材料致動器1,6：該致動器是步進馬達，用于微米級或更精細的定位，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由推進器、驅(qū)動卡具、固定卡具、轉(zhuǎn)換器四部分組成。其工作原

14、理為驅(qū)動卡具張開，使轉(zhuǎn)換器與推進器連接，加磁場使推進器伸長，使轉(zhuǎn)換器前移。固定卡具張開使轉(zhuǎn)換器與底盤(不動盤)連接，驅(qū)動卡具張開，去磁場使推進器帶動驅(qū)動卡具退回，固定卡具松開，實現(xiàn)前移一個超磁致伸縮棒伸長量。循環(huán)往復(fù)，可使轉(zhuǎn)換器一步步前移。這種執(zhí)行器可獲得較大的推力，產(chǎn)生大的位移(最大位移10um)，實現(xiàn)高的分辨率(如果加以恒溫控制，可望得到位移分辨率10nm)，高的能量密度，可低電壓使用，快速響應(yīng)，微控制寬頻帶使用，同時使用溫度范圍寬，極其穩(wěn)定，無極化和老化問題。圖1 磁致伸縮致動器示意圖 電一聲換能器5主要用于軍事技術(shù)、海洋探測與開發(fā)、海洋工程的水聲聲納。以前聲納的水聲發(fā)射換能器主要用壓電

15、陶瓷材料(PZT)來制造。這種材料制造的水聲換能器的頻率較高(20kHz以上)、衰減快、傳播距離短，同時發(fā)射功率小、體積大、笨重11-12。隨著艦艇隱身技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代艦艇可吸收頻率在3.0kHz以上的聲波，起到隱身的作用13。而用稀土超磁致伸縮材料制造的換能器其能量密度為壓電換能轉(zhuǎn)換器的10倍，工作距離超過104km，是壓電換能器的幾十倍12，所以各發(fā)達國家都正在大力開發(fā)用稀土超磁致伸縮材料制造的低頻(頻率為幾十至2000Hz)，大功率(聲源級約220dB)的聲納用或水聲對抗用發(fā)射水聲換能器，目前已裝備海軍4。低頻可打破敵方艦艇的隱身技術(shù)，大功率可探測更遠距離的目標(biāo)；同時由于體積小，重量輕，

16、可提高艦艇的作戰(zhàn)能力。因此，今后聲納用和水聲對抗用發(fā)射水聲換能器的發(fā)展方向應(yīng)是低頻、大功率、大基陣。此外，稀土超磁致伸縮材料還被用于地質(zhì)科學(xué)與工程的陸地聲納、石油工業(yè)的工業(yè)聲納、加工制造業(yè)、醫(yī)學(xué)和民用的超聲換能器，其功率達數(shù)千瓦是壓電換能器最大功率的10倍。例如：稀土超磁致伸縮材料電聲換能器用于波動采油，可提高油井的產(chǎn)油量達20100 ；用該材料制造的平板型喇叭，振動力大，音質(zhì)好，高保真，可使樓板、墻體、桌面、玻璃窗振動和發(fā)音，可作水下音樂、水下芭蕾伴舞的喇叭等。日本已用稀土超磁致伸縮材料來制造海洋聲學(xué)斷層分析系統(tǒng)OAT(Ocean Acoustic Topography)和海洋氣候聲學(xué)溫度測

17、量系統(tǒng)ATOC(The Acoustic Thermometry Of Ocean Climate)的水聲發(fā)射換能器，其信號可發(fā)射到1000km 的范圍，可用于測量海水溫度和海流的分布圖。3.2.3 電一機換能器1,4,5主要用于小型受控動作器件和精度可以達到納米級，承受載荷能力(60kgmm )為壓電器件20倍的RE精密定位系統(tǒng)；輸出100kg力，極限速度達lms，極限行程為無限，控制精度達亞微米級的超磁致伸縮線性馬達；減震能力超過以往任何技術(shù)的主動降噪減震裝置；每秒動作2000次的高速、強力RE伺服伐；以及伺服泵、燃料注入系統(tǒng)、制動器等14。被廣泛用于汽車、飛機、航天器、機器人、精密機床、

18、精密儀器、計算機、光通訊、印刷等方面。3.2.4 傳感器和電子器件1利用稀土超磁致伸縮材料在磁場中產(chǎn)生應(yīng)變的原理，可以用來設(shè)計制造袖珍測磁儀，探測位移、力、加速度的傳感器，以及可調(diào)諧的表面聲波器件等14。利用稀土超磁致伸縮材料變形或受力可引起磁場及線圈輸出信號的相應(yīng)變化，可以設(shè)計制造探測位移、力、加速度的傳感器以及可調(diào)控的表面聲波器件。由于稀土超磁致伸縮材料在磁場中的彈性模量變化極大(15095)，相應(yīng)聲速也變化很大這一特性，可用來設(shè)計可調(diào)諧的聲波器件、聲納的相位傳感器、振蕩器等。這些器件用于軍事、航天航空、海洋、石油、地質(zhì)、運輸、化工、加工、制造、機器人、自動化、計算機、印刷、儀器儀表相關(guān)的

19、工程技術(shù)，使產(chǎn)品性能大幅度提高，結(jié)構(gòu)微型化，或使傳統(tǒng)技術(shù)不可能獲得的功能得以實現(xiàn)。與此相應(yīng)，TerfenolD的產(chǎn)量從1989年的100 kg增加到1995年的10 t，1995年銷售額近0.5億美元，預(yù)計2015年將達到l7億美元14。4 結(jié)束語超磁致伸縮材料的應(yīng)用前景廣闊，是高新技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵性的材料之一。我國是一個稀土大國，稀土儲量占具世界總儲量的80 ，所以在我國研究和開發(fā)稀土超磁致伸縮材料更具有深遠意義。稀土超磁致伸縮材料的研究，也逐漸隨著制備方法的改進和磁致伸縮材料物理效應(yīng)的應(yīng)用不斷深入，制備出相應(yīng)的性能更好的器件。參考文獻：1劉蓉生稀土超磁致伸縮材料的及其應(yīng)用J四川稀土2006,2

20、:30-322 黎文獻，余琨，譚敦強，馬正青，陳鼎稀土超磁致伸縮材料的研究J .Mining And Metallurgical Engineering(礦冶工程)2000,20(3):64-673 鄔義杰 超磁致伸縮材料發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀研究JMechanical & Electrical Engineering Magazine(機電工程)2004,21(4):55-584 李擴社，徐靜，楊紅川，袁永強，徐建林，于敦波，張深根稀土超磁致伸縮材料發(fā)展概況J .Chinese Rare Earths（稀土）2004,25(4):51-56.5 李擴社,徐靜,張深根.稀土超磁致伸縮材料進展J .Metallic Functional Materials（金屬功能材料）2003,10(6):30-33.6 李淑英,陳雙平.稀土超磁致伸縮材料的制備與應(yīng)用J .Journal Of Taiyuan Ocean University Of Technology (太原理工大學(xué)學(xué)報)2005,36:5-67 蔣成保，宮聲凱，徐惠彬. 超磁致伸縮材料及其在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用JActa Aeronautica Et As