超磁致伸縮材料及應(yīng)用

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1、WORD格式整理超磁致伸縮材料及其應(yīng)用一、超磁致伸縮材料基本概況1．研究背景20世紀(jì)80年代,人們提出智能材料的概念以來,有關(guān)智能材料的機(jī)理研究、智能材料的制備研究以及以智能材料為基礎(chǔ)的智能系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究已成為當(dāng)前力學(xué)、物理、材料、電子、機(jī)械及信息等學(xué)界的重大基礎(chǔ)及應(yīng)用課題,并已取得了大量卓有成效的研究,形成了"智能系統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)"這一新興的多學(xué)科交叉的高技術(shù)領(lǐng)域。它不僅用在國(guó)防和航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域,而且在民用工業(yè)及生產(chǎn)活動(dòng)中也發(fā)揮著重要的作用。智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)中智能材料是關(guān)鍵,它是一種能通過系

2、統(tǒng)調(diào)節(jié)材料自身各種功能并對(duì)外界復(fù)雜環(huán)境條件發(fā)生變化做出反應(yīng)而發(fā)揮主動(dòng)功能作用的材料,即具有感知環(huán)境變化和對(duì)外部環(huán)境做出反應(yīng)的能力。其中,一類是對(duì)外界的刺激強(qiáng)度具有感知,如應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、化學(xué)和輻射等;一類是對(duì)外界環(huán)境條件發(fā)生變化做出響應(yīng)。它們可以和控制電路、接口電路、數(shù)據(jù)通信及電源系統(tǒng)于一體,實(shí)現(xiàn)能量之間的轉(zhuǎn)換,制作出各種各樣的傳感功能和執(zhí)行功能的智能器件。目前,智能材料具有驅(qū)動(dòng)功能作用的主要有壓電材料、電致伸縮材料、形狀記憶合金材料、磁致伸縮材料和電(磁)流變液等。表1.1所示為幾種智能材料基本性

3、能。表1.1幾種常用功能材料基本性能指標(biāo)專業(yè)資料值得擁有WORD格式整理超磁致伸縮材料作為一種新型智能材料,其優(yōu)良的磁致伸縮特性及潛在的應(yīng)用前景在高技術(shù)領(lǐng)域得到普遍的重視,成為智能材料及其應(yīng)用設(shè)計(jì)中的一種重要單元。2.超磁致伸縮的發(fā)展1842年著名物理學(xué)家焦耳首先發(fā)現(xiàn):在磁場(chǎng)中,鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變會(huì)引起其長(zhǎng)度或體積發(fā)生微小變化，這種現(xiàn)象就稱為磁致伸縮，也稱焦耳效應(yīng)。其中，材料在磁化過程中伴有晶格的自發(fā)變形，會(huì)沿磁化方向發(fā)生伸長(zhǎng)或縮短的現(xiàn)象，稱為線磁致伸縮;體積發(fā)生膨脹或收縮的現(xiàn)象稱為體積磁致伸縮。一般的

4、，由于體積磁致伸縮發(fā)生在材料達(dá)到飽和磁化以后，且體積磁致伸縮比線磁致伸縮要微弱得多，實(shí)際用途又非常少，在測(cè)量和研究中考慮得很少，因此工程上的磁致伸縮均指線磁致伸縮。線磁致伸縮的大小用磁致伸縮系數(shù)λ(即沿著磁場(chǎng)方向的相對(duì)伸長(zhǎng))衡量，如圖1.1所示，當(dāng)材料達(dá)到飽和磁化時(shí)，義將達(dá)到最大值，即稱為飽和磁致伸縮系數(shù)λs。圖1.1磁致伸縮材料在外加磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生變形的示意圖自從發(fā)現(xiàn)鐵磁材料中存在磁致伸縮現(xiàn)象以后，人們對(duì)磁致伸縮材料的開發(fā)與探索陸續(xù)有了新的進(jìn)展。1940年，多晶體Ni和Co、坡莫合金以及鐵氧體所具有的磁致伸縮

5、特性被研究人員發(fā)現(xiàn)，但飽和磁致伸縮系數(shù)量級(jí)約為30~70ppm(ppm=10-6)具有的低量級(jí)磁致仲縮系數(shù)限制了真正的廣泛應(yīng)用，僅有超聲換能器等少數(shù)領(lǐng)域應(yīng)用。1962年，美國(guó)水面武器研究屮心Clark博士等發(fā)現(xiàn)，稀土鋱(Terbium)和鏑(Dysprosium)單晶材料在0K低溫下具有接近于1%的超大的磁致伸縮系數(shù)，但因其無法在正常的環(huán)境溫度下工作而失去實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1972專業(yè)資料值得擁有WORD格式整理年，Clark等制備出了能夠在常溫環(huán)境下具有超磁致伸縮系數(shù)的二元立方晶Laves相稀土金屬化合物TbFe

6、2和DyFe2，但這兩類化合物具有非常強(qiáng)的磁晶各向異性(K1為磁晶各向異性常數(shù))，TbFe2的K1=-7.6x106J/m3，DyFe2K1=2.1xl06J/m3，需要很大的外加磁場(chǎng)才能使它們達(dá)到飽和狀態(tài)，這增加了實(shí)際應(yīng)用的困難，不易于發(fā)揮它的超磁致伸縮優(yōu)勢(shì)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)低磁場(chǎng)下的磁致伸縮特性，1974年，Clark等利用具有反號(hào)磁晶各向界性常數(shù)的化合物TbFe2和DyFe2組合起來形成偽二元化合物Tb1-xDyxFey(0

7、xl06J/m3，外場(chǎng)作用下的飽和磁致伸縮系數(shù)大于1000ppm，達(dá)到飽和磁化所需的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度小于0.3T，從而真正意義上實(shí)現(xiàn)了低磁場(chǎng)和常溫環(huán)境下的超磁致伸縮特性，具有了真正的應(yīng)用價(jià)值。通常的，由于Tb1-xDyxFey合金的特性以及制備工藝和應(yīng)用Tb1-xDyxFey，合金常被制備成棒材，其軸向磁致仲縮性能最為研究人員關(guān)注，目前實(shí)用階段的超磁致伸縮材料棒材在外界預(yù)應(yīng)力作用下其磁致伸縮系數(shù)最大可達(dá)到1800ppm，實(shí)驗(yàn)室得到最大值為2375ppm。從70年代中期發(fā)現(xiàn)超磁致伸縮材料Tb1-xDyxFey合金以來

8、，研究人員不僅對(duì)超磁致伸縮材料磁致伸縮性能進(jìn)行了深入的研究，也對(duì)超磁致伸縮材料成分差異與制備工藝對(duì)超磁致伸縮材料性能影響進(jìn)行了深入的研究，從而加快了超磁致伸縮材料的工業(yè)化、實(shí)用化和產(chǎn)品化以及功能器件的實(shí)際應(yīng)用。如美國(guó)的EdgeTechnolies公司推出的商標(biāo)為Terfenol-D的磁致伸縮材料、瑞典FeredynAB公司推出的Magmek86產(chǎn)品、英國(guó)稀土制品公司、日本東芝公司和住友