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《先进材料基础》 磁致伸缩效应 专业班级： 姓 名： 学 号： 授课教师： ;磁致伸缩效应;　　　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，是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化，去掉外磁场后,又恢复原来长度与体积的现象。;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。 ;λ为磁致伸缩系数，Δl为磁致伸缩变量，l为磁致伸缩材料长度。 常用磁致伸缩材料室温下的饱和磁致伸缩系数为10-8~10-6;磁致伸缩效应的原理;在伸展过程中，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。 ;　　图3所示是长度在外加磁场作用下改变的理想化关系。当磁场反向施加，现象理应相反，即材料负向应变，但负向场产生了如同正向场的伸长磁致伸缩效应。曲线形状让人想起蝴蝶，所以，这条曲线又被叫做“蝴蝶曲线”。;常用磁致伸缩材料;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。 ;铝镍钴合金;铁铝;铁钴钒;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，例如英国超声学中介绍的用于15-100KHz的磁致伸缩换能器，采用49%Co+49%Fe的铁钴合金+2%V--称为坡莫合金，550℃退火，制成0.1mm厚度的冲压片迭制成辐射面为8.5x11mm的换能器，在磁场强度达到10000安/米时达到饱和-采用极化系统，其效率可达70%） ;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（可达75%以上，如要输出10千瓦声功率时，电振荡器只要输出约13千瓦左右即可，因此所需电振荡器的体积显然比用镍的情况小得多），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。 　　　　　;缺点主要是烧结体的机械强度差，在承受一定的应力时会显着恶化磁致伸缩性能，在相差不多的压应力作用下，镍的机电耦合系数只下降1/7左右，磁导率下降20%左右，因此，铁氧体磁致伸缩换能器的单个功率不能太大，若要功率大时，则需采用多个并联使用的措施，而且铁氧体和容器只能胶合不能焊合，也影响其用途的推广。另外，铁氧体的老化和温度稳定性也不够理想。 　　　　　;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，其机电耦合系数范围在0.2-0.3，适用于数千赫兹到100千赫兹的频率范围。 ;新型磁致伸缩材料;　　　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