先进材料基础磁致伸缩效应_磁致伸缩效应
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《先进材料基础》结课论文
磁致伸缩效应
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引言
磁致伸缩效应是指材料在外加磁场条件下的变形。磁致伸缩效应于19世纪（1842年）被英国物理学家詹姆斯.焦耳发现。他观察到，一类铁磁类材料，如：铁，在磁场中会改变长度。焦耳事实上观察到的是具有负向磁致伸缩效应的材料，但从那时起，具有正向磁致伸缩效应的材料也被发现了。
磁致伸缩效应的原理
小磁畴的旋转被认为是磁致伸缩效应改变长度的原因。磁畴旋转以及重新定位导致了材料结构的内部应变。结构内的应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于正向磁致伸缩效应）。在此伸展过程中，总体积基本保持不变，材料横截面积减小。总体积的改变很小，在正常运行条件下可以被忽略。增强磁场可以使越来越多的磁畴在磁场方向更为强烈和准确的重新定位。所有磁畴都沿磁场方向排列整齐即达到饱和状态。图1中即为长度随磁场强度变化的理想化。
磁畴的重新定位的物理背景在于简要、纲要性的描述（如图2）。在0和1区间之间，提供的磁场很小，磁畴几乎不体现其定位模式。由材料如何形成所决定的内容或许是其通常的定位形式的一小部分，显出其永久性的偏磁性。其导致的应变与磁致伸缩材料的基本结构和材料化学成分均匀性有很大联系。在1-2区间，我们设想，应变与磁场之间存在几乎趋于线性的关系。因为关系简单，容易预测材料的性能，所以，大部分设备被设计工作于这个区间。曲线超过点2后，应变与磁场关系又变为非线性，这是由于大部分磁畴已经按照磁场的方向排列整齐。在点3，出现饱和现象，阻止了应变的进一步增加。
磁致伸缩效应分为线磁致伸缩和体积磁致伸缩，磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大得多，所以人们研究应用的主要对象是线磁致伸缩，而体积磁致伸缩由于变化量很小，在测量和研究中很少考虑，线磁致伸缩的变化量级为10～10。
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磁致伸缩材料的分类
磁致伸缩材料已发现并制造了许多种，可分为金属与合金、铁氧体以及新开发的新型磁致伸缩材料：
[1]金属与合金材料
金属与合金材料的特点是机械强度高，性能比较稳定，适合制作大功率的发射换能器，缺点是换能效率不高，如纯镍的电声转换效率约为30%，这意味着要输出10千瓦的声功率时，电振荡器输出功率就需要30千瓦左右，这势必使超声频电振荡发生器要做得很庞大。此外，金属材料的涡流损耗也较大。典型材料有：
镍：这是最早使用的磁致伸缩材料，其特点是在磁场强度或磁感应强度增大时，它的长度变小。镍的电阻率较低，涡流损耗较大（在制作时可以通过把它压延成薄片后以层间绝缘的方式迭制来减少涡流损耗）。此外，其价格昂贵，故目前已多采用其合金，如镍铁-45%Ni最为常用，还有镍钴铬合金等。
铁铝合金：这种材料的价格比较低廉而受到广泛应用。其机械性能较脆是它的弱点，但仍可压延成片使用，此外，其耐蚀性也尚不致有太多影响，其性能接近低镍含量的铁镍合金。
铁钴钒合金：这种材料的磁致伸缩效应比镍还强，居里温度也比镍高得多，而且还具有恒磁性，但是它的性能与热处理关系极大（化学成分和热处理都是合金特定状态-磁畴形成的重要条件）。此外还有铁钴合金（由等份量的铁和钴组成，具有很高的饱和磁导率。
[2]铁氧体
铁氧体，是一种具有高电阻率的铁氧非金属磁性材料，通常是以四氧化三铁（Fe3O4）为基体再加入其他成分烧结而成，因而便于直接烧结成所需的几何形状。铁氧体材料的优点是电声效率高，由于电阻率高而使得涡流损耗和磁滞损失也较小，而且磁致伸缩效应显着，适合用作接收换能器，此外，其价格低廉也是重要的优点之一。
典型的铁氧体材料有镍铁氧体、镍钴铁氧体、镍铜钴铁氧体等。
[3]新型磁致伸缩材料
铁系非晶态强磁体：非晶态金属是一种原子排列杂乱无序（类似液体），结构稠密的固体金属，这是特异状态的物质，是由熔融金属高速冷却制成的。它具有较强的韧性和较大的变形能力，耐蚀性也很强。由于非晶态金属的原子排列无秩序，在原理上不会存在结晶体的磁性能各向异性。含有多量铁的非晶态强磁性体具有很大的磁致伸缩效应和高磁导率等，是优良的电声换能材料。
四氧化三铁系统材料：这是在四氧化三铁中添加了少量的氧化钴、氧化硅和氧化钛，从而可以消除四氧化三铁磁性能上的各向异性，控制它的低电阻抗值，获得较高的磁致伸缩性能，可用到高压力和变温度的苛刻工作环境中去。
磁致伸缩材料的制备
磁致伸缩材料的制备方法主要是定向凝固法和粉末冶金法。定向凝固法
定向凝固法的目的是在一次相变成型过程中控制合金样品的宏观晶体取向和凝固组织结构以提高其磁致伸缩性能。在理想情况下,希望样品的轴向为 晶向,但实际上合金自身的特性及凝固方法的特点决定了获得理想凝固组织是非常困难的。定向凝固法又包括丘克拉斯基法、布里奇曼法和区熔法(或浮区法)。
丘克拉斯基法,是将一小籽晶在旋转的同时从母合金熔液中以一定速度向上提拉,以这个小籽晶为基底,发生晶粒长大,长大方式为平面长大方式,长大以后的晶体取向与该籽晶晶体的取向一致,因此通过控制籽晶的晶体取向可以获得 取向的合金样品。
布里奇曼法是将母合金置于Al2O3 坩埚内整体加热熔化,然后向下抽拉熔化合金逐渐移出加热区,并发生顺序凝固以形成定向凝固组织。采用籽晶技术将可以获得 取向的合金样品。
区熔法(或浮区法)是将合金棒置于一单匝感应线圈中,当感应线圈从合金棒的一端移向另一端时,整个合金棒顺序经历了一次熔化凝固过程,从而形成定向凝固组织。
粉末冶金法
粉末冶金法包括烧结法和粘结法。
烧结法制备稀土磁致伸缩材料的主要工艺过程是,将一定成分合金在氩气的保护下破碎,在酒精介质中球磨,真空干燥后在模具中压制成型,然后在氩气保护下烧结。成型时应用磁场取向和磁场热处理可提高合金的磁致伸缩性能。
粘结法是指将经过冶炼、研磨的合金粉末与树脂、塑料或低熔点合金等粘结剂均匀混合,然后压制、挤出或注射成型制成一定形状的复合材料的过程。
应用
磁致伸缩材料可以制成功率电-声换能器、电-机换能器、驱动器、传感器和电子器件等, 广泛应用于海洋、地质、航空航天、运输、加工制造、医学、计算机、机器人、仪器、电子及民品等技术领域。
磁(电)-声转换技术中的应用
磁致伸缩材料具有应变大、功率密度大、低频(
磁(电)-机转换器件中的应用
磁致伸缩精密致动器是改善自动控制技术、提高产品精度及反应速度的新一代致动器, 具有输出力大、漂移小、移动范围大等特点。它不仅能克服传统电致伸缩致动器的缺点, 而且其电机转换效率具有其它材料无法比拟的优势,用精密致动器,位移精确度可达纳米级, 响应速度快, 输出力大, 设计相对简单。
磁致伸缩液位仪
由三部分组成：探测杆，电路单元和浮子组成。测量时，电路单元产生电流脉冲，该 脉冲沿着磁致伸缩线向下传输，并产生一个环形的磁场。在探测杆外配有浮子，浮子沿探测杆随液位的变化而上下移动。由于浮子内装有一组永磁铁，所以浮子同时 产生一个磁场。当电流磁场与浮子磁场相遇时，产生一个“扭曲”脉冲，或称“返回”脉冲。将“返回”脉冲与电流脉冲的时间差转换成脉冲信号，从而计算出浮子 的实际位置，测得液位。燃料注入阀
由一根具有负磁致伸缩系数的棒去打开阀针。驱动线圈中的电流为零时，阀针将燃料流关闭；驱动线圈中通有电流时，阀针打开允许燃料流通过。
可实现对燃料的精密、瞬时控制，使燃料充分燃烧，减少污染。应用：汽车和飞机等内燃机。检测领域中的应用
利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩正效应或逆效应可以制作检测磁场、应变、位移、扭矩、压力和电流等的传感器敏感元件。
结语
磁致伸缩材料作为三大智能材料之一,由于其优异的性能特点,正受到相关学者的广泛关注,其应用范围涉及到传感器、流体机械、磁电-声换能器、微型马达、超精密加工领域等,充分显示出了磁致伸缩材料的巨大潜力。从目前发展的趋势可以看出,形态上的薄膜化、微型化将成为具有潜力的发展方向,而执行与传感功能融合形成的具有自感知功能的执行器将成为磁致伸缩材料器件研究的前沿。在未来对磁致伸缩材料的研究过程中,亦有必要不断进行成分调整和掺杂研究,不断提高其响应速度、饱和磁致伸缩系数、可控性、刺激转换效率等,使磁致伸缩材料应用到地震工程、生物医学工程、环境工程等新领域中。
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