第8章超磁致伸缩材料及其智能化应用课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第,8,章 超磁致伸缩材料及其智能化应用,1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(Tb,0.27,Dy,0.73,Fe,2,),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。,2,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,3,为三种材料性能特点比较表,3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。,4,8.1磁致伸缩效应及其表征 8.1.1磁致伸缩效应4,8.1.2,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,。,5,8.1.2磁致伸缩系数 磁致伸缩效应的大小用磁致伸缩系数表,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,6,8.1.3磁致伸缩的唯象理论 8.1.3.1立方晶系磁致伸缩,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,7,8.1.3.2立方晶系和六方晶系磁致伸缩系数表达式 立方晶系,立方晶系和六方晶系对称的磁致伸缩模式,8,立方晶系和六方晶系对称的磁致伸缩模式 8,8.1.4,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,(T,C,),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。,9,8.1.4磁体产生磁致伸缩的机理 产生磁致伸缩的原因9,8.1.5,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。,10,8.1.5稀土离子超磁致伸缩的起源 在稀土金属和合金或金属,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,k,33,。对于圆截面的环状样品，,k,33,=k,；对于细长棒状样品,k,33,=,其他表征磁致伸缩材料性能的参数,饱和磁化强度,M,s,磁晶各向异性常数,K,1,居里温度,T,c,。,11,8.1.6其他表征磁致伸缩材料性能的参数 机电耦合系数 11,12,8.2,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,s,一般大于,3010,-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（,3070)10,-6,机电耦合系数,k,为,0.150.5,，电阻率,较低。,2),非晶态合金,这类合金包括,Fe80B15Si5,、,Fe66Co12B14Si8(%,原子）等，它们的 约为,3010,-6,4510,-6,，,k,值高达,0.680.82,。,3),稀土,-,铁系金属间化合物,这类化合物包括,TbFe,2,、,Tb,0.3,Dy,0.7,Fe,2,等，有极高的 ，前者为,175310,-6,，后者为,106810,-6,。它们的,k,值约为,0.60,。,重点介绍作为新一代高磁致伸缩材料的稀土,-,铁系化合物超磁致伸缩材料,(,以下简称稀土超磁致伸缩材料,),。,128.2超磁致伸缩材料 超磁致伸缩材,13,8.2.1,稀土超磁致伸缩材料的发展历史,60,年代初发现稀土元素,(R),具有许多独特的磁性。例如重金属的轨道角动量和自旋角动量都大，而且平行排列，故每个原子的磁矩为,9,B,10,B,，而镍和铁只有,0.6,B,和,2.2,B,。重稀土还有大的磁晶各向异性。实用的超磁致伸缩材料应具有的特点：含有大量的稀土离子（获得大磁致伸缩值的首要条件）；稀土离子参与的交换作用要远大于热运动能，以保证有高的居里温度；材料应具有不止一个易磁化方向，这样技术磁化时畴壁移动过程可以对磁致伸缩值有所贡献，并且材料要有小的磁晶各向异性，使得达到饱和磁化所需的外磁场不会很高。,70,年代初开始研究在室温下工作的稀土超磁致伸缩材料。用直接化学合成的方法使超磁致伸缩的稀土铽和镝与磁性过渡族金属镍、钴及铁化合并用快速溅射制成非晶态合金。磁晶各向异性在磁致伸缩材料中起着重要作用。,80,年代中期开始有商品,Terfenol-D,单晶棒出售。进一步的研究工作：解决,111,取向的单晶的生长问题，去掉孪晶界；改善材料的本征脆性，提高力学性能；通过掺入其他元素，进一步降低磁晶各向矛性；在对材料性能要求不很高的场合，通过其他工艺手段制备超磁致伸缩材料，以降低成本，改善机械加工性能。,138.2.1稀土超磁致伸缩材料的发展历史 60年代初发现稀,14,8.2.2,稀土超磁致伸缩材料的性能,RFe,2,是具有立方,MgCu,2,结构的,Laves,相化合物。该结构由稀土原子和铁原子的点阵穿插而成，铁原子位于一系列四面体的点，稀土原子则采取与硅或锗,(,金刚石立方结构,),相同的立方排列方式，每个稀土原子有,4,个配位的等距离的稀土原子和,12,个与其距离略近的铁原子。,8.2.2.1,稀土,.,铁系化合物,RFe,2,的晶体结构,148.2.2稀土超磁致伸缩材料的性能 RFe2是具有立方M,8.2.2.2,稀土,-,铁系化合物的磁晶各向异性,1),二元,RFe,2,化合物的磁晶各向异性,单晶体的磁晶各向异性最大。在低温时，六方稀土元素具有已知最大的磁晶各向异性。居里温度高的化合物和具有室温已知的最大的磁晶各向异性。立方,RFe,2,化合物的磁晶各向异性则较小。但是，最近的测量表明，立方,RFe,2,具有立方晶体中已知的最大的磁晶各向异性。根据稀土,-,铁交换作用的强弱，有时这种,2),赝二元,RFe2,化合物的磁晶各向异性,将磁晶各向异性常数反号的两种,RFe,2,材料组合起来形成赝二元化合物，其磁晶各向异性常数可大大降低，从而降低饱和磁化所需的外磁场。,大的磁晶各向异性可持续到室温。,15,8.2.2.2稀土-铁系化合物的磁晶各向异性 1)二元RFe,16,3),二元,RFe2,化合物和赝二元,RFe2,化合物的易磁化方向,二元,RFe,2,化合物,Tb,Fe,2,等在所有温度下都只有一个易磁化方向。,RFe,2,化合物中，除少数几个易磁化方向为,100,外，大部分易磁化方向都是,111,。,赝二元化合物 ，随着成分,x,的增加，易磁化方向发生从,111,到,100,的转变，并随着温度的降低发生转变的点,x,变小。以适当的两种,R,Fe,2,化合物配合成的赝二元,R,Fe,2,化合物可做到使材料具有各向异性补偿和自旋再取向。,4),非晶,RFe,2,化合物的磁晶各向异性,成分为,R,Fe,2,的溅射非晶态合金在结构和磁性方面与晶态合金不同。其居里温度在室温以下直到,400 K,。这些合金最突出的特点是在低温时矫顽力大。这是由于磁晶各向异性大和没有晶体结构两个因素共同造成的。在,4K,时，由非晶,Tb,Fe,2,计算的最大磁能积为,2.35EA,m,，这与钐钴合金测得的最大值差不多。虽然内禀磁晶各向异性可以持续到室温，但热能太高以至于无法阻止磁化反转。因此，室温下矫顽力只有,7.96 kA,m,。,163)二元RFe2化合物和赝二元RFe2化合物的易磁化方向,17,8.2.2.3,稀土,-,铁系化台物的磁致伸缩,1),二元,RFe2,化合物的磁致伸缩及其与温度的关系,(A),二元,RFe,2,化合物的磁致伸缩,(B),二元,RFe2,化合物的磁致伸缩与温度的关系,(C),各向异性磁致伸缩原子模型,178.2.2.3稀土-铁系化台物的磁致伸缩 1)二元RFe,18,2),赝二元,RFe,2,化合物的磁致伸缩,182)赝二元RFe2化合物的磁致伸缩,19,3,）非晶,RFe,2,合金的磁致伸缩,与大的磁晶各向异性一样，在非晶态合金中也发现有大的磁致伸缩。,Forester,等报道了非晶,的磁致伸缩。非晶 ，和,DyFe,2,的室温磁致伸缩如图所示。,TbFe,2,具有大的未饱和的磁致伸缩，而,DyFe,2,具有接近于零的自发磁致伸缩。这种差异可用居里温度,Tc,的不同来解释。非晶,TbFe,2,的,Tc,室温；而非晶,DyFe,2,的,Tc,室温。与晶态,DyFe,2,（）不同，非晶,DyFe,2,的磁致伸缩系数随温度的下降而迅速增加。,193）非晶RFe2合金的磁致伸缩,20,8.2.3,稀土超磁致伸缩材料制备和组织结构,Terfenol-D,材料的性能与其制备工艺、成分和微观结构密切相关。不同制备工艺得到的材料的性能可以相差甚远。,超磁致伸缩材料,Terfenol-D,主要有两种成分，即 和 。前者磁晶各向异性小，线性较好，滞后较小，不加压应力时有较高的动态磁致伸缩系数 和饱和磁致伸缩系数 。后者磁晶各向异性稍大，压应力对其作用强烈。它通过,“,磁致伸缩跃变效应,”,产生很高的 和 ，,Tb,Dy,比值的选择还要考虑工作温度。,Fe,量,x,一般取,1.90,1.95,，目的在于产生少量稀土相，提高材料的强度。,208.2.3稀土超磁致伸缩材料制备和组织结构,21,21,22,22,2