磁性-第六章剖析.ppt

* * 第六章 磁致伸缩材料 *定义：磁性材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩。 ?=?L/L为磁致伸缩系数。 6.1 磁致伸缩材料概述 *发展史： *大部分材料的?只有10-6数量级，一直难以实用化。 *1940年，Ni和Co的多晶材料出现后，磁致伸缩材料才得到实出化。Ni：?=40×10-6 *1950年，发现了Alfer Fe-13％A1合金，它的磁致伸缩值达到1×10-4 *20世纪60年代，Clark等致力于稀土类磁致伸缩材料的研究。发现具有立方Laves相结构的TbFe2，DyFe2等二元稀土铁化合物，其室温下的?值达2600×10-6以上。该类材料的?值比传统材料要大上百倍，因此称为超磁致伸缩材料。 *1974年，Clark等人成功地发现了三元稀土过渡族金属间化合物Tb0.27Dy0.73Fe2合金，它具有磁致伸缩值高、居里温度高、磁晶各向异性能小等优点。 *从实用角度来看，磁致伸缩材料应具备以下特性： (1)变位量及产生的应力要大；(2)响应速度快；(3)软磁性； (4)可在低磁场下驱动；(5)居里温度高； (6)在使用气氛中磁致伸缩特性对温度的变化不敏感； (7)高可靠性；(8)环保性优良，兼备市场竞争力。 6.2 超磁致伸缩材料 一、 超磁致伸缩材料种类 （1）稀土金属 稀土金属、特别是重稀土金属在低温下具有很大的磁致伸缩。但稀土金属的居里温度较低，在室温下不能直接应用。 （2）稀土-过渡金属间化合物 稀土-过渡金属形成的化合物具有较高的居里温度。 （3）非晶薄膜合金 采用溅射方法制备稀土-过渡金属非晶薄膜，非晶薄膜具有良好的软磁性能，其在低磁场下的磁致伸缩显著提高。 （4）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。 如Tb3Fe5O12在4.2K时，磁致伸缩(?111)为2460×10-6，在78K时，为560×10-6。 （5）锕系金属化合物 锕系元素与铁及其他元素形成的化合物在低温下也具有较大的磁致伸缩，有的甚至超过了稀土化合物。但它们的居里温度只有100K左右，难以在工程中实际应用。 二、Tb-Dy-Fe超磁致伸缩材料 1、Tb-Dy-Fe系合金的磁致伸缩特性 稀土-过渡金属系是最具应用前景的化合物系。其中，REFe2系立方Laves相化合物不仅磁致伸缩应变大，而且居里温度也较高，是最主要的合金系。 缺点：磁晶各向异性能很高，使用时需要强磁场。 方案：利用各向异性常数符号相反的不同ReFe2合金相混合，可获得较低磁晶各向异性能的磁致伸缩材料。 *研究表明：有最佳磁致伸缩特性和实用价值的是被称为Terfenol-D的Tb-Dy-Fe系合金。 2、磁致伸缩与合金组成的关系 对于Tb0.27Dy0.73Fe2-y合金，在y=0.15和y=0.025处各出现一个磁致伸缩峰值，对于TbxDy1-xFe2合金，当x=0.7时，磁致伸缩也出现一个峰值。对四元系合金，第四组元Mn对合金磁致伸缩性能也有影响，在Mn含量约为0.125时出现峰值。 3、磁致伸缩与温度的关系 稀土-铁化合物随着温度的改变，会产生自旋再取向，易磁化轴方向也会发生变化。 4、磁致伸缩与预应力的关系 稀土-铁合金外加预应力时，磁性体会发生变形，磁化和磁各向异性发生变化，可获得更理想的磁畴排列，从而提高磁致伸缩特性。在磁场作用下，会产生磁致伸缩的跃变效应。机理：无外场时，磁畴在外压力作用下沿111优先排列，有外场时，磁畴发生大部分的突然转向，产生强制的磁致伸缩跃变。 6.3 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。 *在同一晶胞中，稀土原子的自旋磁矩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禀条件。 *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，从而产生超磁致伸缩。 *在Laves相化合物中，沿晶体111方向的磁致伸缩量最大，对于实际应用来说，111方向效果最好。 6.4 超磁致伸缩合金的制备 一、合金棒材、定向晶及单晶的制备 1、棒材制备的主要方法 （1）压力差法 将配制熔炼好的母合金放于坩锅内，置于可抽真空和加压的容器里。容器上部通过密封环插入可移动的带石英管的杆。抽真空，熔化合金并保温一定时间。将石英管插入熔体中