稀土磁致伸縮材料課件

1、2.7稀土超磁致伸縮材料，1。概述2。磁致伸縮效應(yīng)和機(jī)制3。稀土超磁致伸縮材料的結(jié)構(gòu)。稀土超磁致伸縮材料性能的技術(shù)參數(shù)。磁致伸縮材料的應(yīng)用1。概述GMM是20世紀(jì)70年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型功能材料，是焦耳發(fā)現(xiàn)的一種物理現(xiàn)象。目前，它已被視為21世紀(jì)提高國(guó)家高技術(shù)綜合競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略性功能材料。GMM器件的性能已被證明優(yōu)于壓電陶瓷換能器材料，在軍事和民用高科技領(lǐng)域有著不可估量的應(yīng)用前景。優(yōu)點(diǎn)：GMM在室溫下機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率高，能量密度高，響應(yīng)速度快，可靠性好，驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單。應(yīng)用：到目前為止，已有1000多種GMM器件問(wèn)世，應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工、電子、機(jī)械、石油、紡織、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域，

2、極大地推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。例如，用于油井處理的大功率GMM傳感器可以降低油的粘度，改善流動(dòng)特性，并大大增加石油產(chǎn)量。在GMM，磁能可以通過(guò)磁致伸縮效應(yīng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，機(jī)械能可以通過(guò)逆磁致伸縮效應(yīng)轉(zhuǎn)換成磁能。這種能量轉(zhuǎn)換裝置用途廣泛，但這些材料的磁致伸縮常數(shù)約為10-5，這限制了其實(shí)際應(yīng)用范圍。從1963年到1965年，人們發(fā)現(xiàn)Tb和Dy等稀土單晶在低溫下的磁致伸縮常數(shù)高達(dá)10-3，這導(dǎo)致了稀土-過(guò)渡金屬磁致伸縮金屬間化合物的發(fā)展。磁致伸縮效應(yīng)和機(jī)理的定義：當(dāng)鐵磁材料和亞鐵磁材料被外磁場(chǎng)磁化時(shí)，它們的長(zhǎng)度和體積會(huì)發(fā)生變化，在失去外磁場(chǎng)后，它們會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度或體積。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為磁致伸縮。

3、線(xiàn)磁致伸縮當(dāng)一種材料被磁化時(shí)，它伴隨著自發(fā)的晶格形變，即它沿著磁化方向生長(zhǎng)或縮短，這被稱(chēng)為線(xiàn)磁致伸縮。變化的數(shù)量級(jí)是10-6 10-5。當(dāng)磁體經(jīng)歷線(xiàn)性磁致伸縮時(shí)，體積幾乎不變，但是只有磁體的形狀改變。當(dāng)磁化未達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，線(xiàn)性磁致伸縮主要由磁體長(zhǎng)度的變化引起。體積磁致伸縮：當(dāng)材料的磁化狀態(tài)改變時(shí)，體積膨脹或收縮。飽和磁化后，體積磁致伸縮主要由體積變化引起。(一般磁體的體積磁致伸縮很小，實(shí)際應(yīng)用很少。在測(cè)量和研究中，一般磁致伸縮是指線(xiàn)磁致伸縮。)。稀土和過(guò)渡金屬的二元或三元合金，如鐵、鈷等。具有巨大的磁致伸縮值，比非稀土高近百倍。稀土超磁致伸縮材料稀土GMM，達(dá)到15002000ppm。稀土磁

4、致伸縮材料主要是稀土-鐵金屬間化合物，其磁致伸縮值遠(yuǎn)大于鐵和鎳，具有快速的機(jī)械響應(yīng)和高功率密度，因此可廣泛應(yīng)用于聲納系統(tǒng)、大功率超聲設(shè)備、精密控制系統(tǒng)、各種閥門(mén)、驅(qū)動(dòng)器等。正負(fù)磁致伸縮：當(dāng)沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，磁疇的磁化方向是隨機(jī)的；在施加外部磁場(chǎng)之后，通過(guò)磁疇壁的移動(dòng)和磁化方向的旋轉(zhuǎn)，大量磁疇的磁化方向?qū)②呄蛴谄叫杏诖艌?chǎng)。如果磁疇中的磁化方向是自發(fā)形成的長(zhǎng)軸，則材料將向外磁場(chǎng)的方向拉伸，然后磁致伸縮為正。如果磁化方向是自發(fā)變形的短軸，材料將在外場(chǎng)方向縮短，這是負(fù)磁致伸縮。磁致伸縮常數(shù)通常用應(yīng)變來(lái)測(cè)量。硅鋼片用鐵硅合金的成分與100、111的關(guān)系如下。100為正，111為負(fù)。隨著硅含量的增加，其值變

5、小。直到硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為6%，它才達(dá)到零。這個(gè)事實(shí)很合我意磁致伸縮一般來(lái)源于以下集中作用：(1)原子磁矩的存在是磁致伸縮效應(yīng)的基礎(chǔ)，它與過(guò)渡族元素和稀土元素在材料成分中具有未填充的3d和4f電子殼層有關(guān)。因?yàn)橹挥羞@些元素有自旋磁矩和原子磁矩。特別是稀土元素，由于最外層5s和5p電子殼層的屏蔽作用，4f電子的運(yùn)動(dòng)幾乎不受周?chē)x子的影響，因此它們具有較高的有效磁矩。對(duì)于鐵族的過(guò)渡族元素，未填充的三維電子殼層中的電子位于所有電子殼層的外圍，它們的運(yùn)動(dòng)容易受到周?chē)x子產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)的影響，并且它們的軌道運(yùn)動(dòng)經(jīng)常被破壞，因此它們對(duì)軌道磁矩的貢獻(xiàn)很小或沒(méi)有，并且電子自旋的貢獻(xiàn)是原子磁矩的主要成分。因此，4f

6、電子對(duì)原子磁矩的貢獻(xiàn)大于3d電子，稀土元素的原子磁矩大于鐵過(guò)渡元素的原子磁矩。(2)自發(fā)磁化是磁致伸縮的必要條件。金屬中的電子不僅與晶格中的離子相互作用，而且電子之間也有很強(qiáng)的交換。在磁疇范圍內(nèi)，為了滿(mǎn)足最小能量，可以平行排列電子自旋。正是由于同向排列的電子的自旋磁矩，磁疇自發(fā)磁化并達(dá)到磁飽和。3d金屬的自發(fā)磁化來(lái)自相鄰原子的3d電子交換；稀土金屬的自發(fā)磁化來(lái)自于局域化的4f電子和游動(dòng)的6s電子之間的交換，這使6s電子自旋極化，極化的6s電子自旋間接將4f電子自旋與相鄰原子的4f電子自旋耦合，導(dǎo)致自發(fā)磁化。這就是所謂的RKKY理論。稀土GMM具有大的磁致伸縮系數(shù)：稀土離子的4f電子軌道具有很強(qiáng)

7、的各向異性。在自發(fā)磁化之后，4f電子云的能量將在一個(gè)或幾個(gè)特定方向上達(dá)到最低，這將導(dǎo)致沿著這些特定方向的晶格的大變形，從而在施加外部磁場(chǎng)時(shí)導(dǎo)致大磁致伸縮。第三，稀土超磁致伸縮材料REF2、ReF 2晶體的結(jié)構(gòu)是Laves相化合物，具有立方MgCu2晶體結(jié)構(gòu)。稀土占據(jù)鎂的位置，鐵原子占據(jù)銅的位置。在同一個(gè)晶胞中，稀土原子的自旋磁矩平行于相鄰稀土原子的自旋磁矩，反平行于相鄰鐵原子的自旋磁矩。切削鐵亞晶格的各向異性比稀土亞晶格的各向異性小得多，因此常被忽略或視為擾動(dòng)。因此，室溫下稀土-鐵化合物的大磁致伸縮和磁晶各向異性來(lái)源于稀土原子。復(fù)雜的4f電子自旋結(jié)構(gòu)、大自旋軌道(9-10s)和稀土原子巨大的磁

8、晶各向異性是大磁致伸縮的內(nèi)在條件。稀土超磁致伸縮材料性能技術(shù)參數(shù)1。磁致伸縮系數(shù)d磁致伸縮系數(shù)是指磁致伸縮系數(shù)隨磁場(chǎng)h的變化率，通常用d表示，有些用d33表示，即d33=(d /dH)(是沿定向晶體棒軸向的附加壓縮應(yīng)力)。它是描述材料對(duì)磁場(chǎng)變化敏感性的參數(shù)，其值與材料成分有關(guān)。磁-機(jī)耦合系數(shù)k是換能器的一個(gè)重要參數(shù)，它表征了磁能Em和彈性能ee之間的轉(zhuǎn)換效率。大尺寸、高性能的磁致伸縮棒可以將大量的磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。磁晶各向異性常數(shù)K1磁晶各向異性反映了與晶軸相關(guān)的磁體的磁性。也就是說(shuō)，鐵磁材料沿不同晶軸方向自發(fā)磁化的內(nèi)能是不同的。當(dāng)外部磁場(chǎng)不存在時(shí)，它以最低的內(nèi)能沿晶軸方向自發(fā)磁化。通常，這個(gè)

9、方向成為易軸，內(nèi)部能量最大的方向是難軸。磁體的自由能和這部分與磁化方向直接相關(guān)(2)材料的磁晶各向異性能K1應(yīng)該足夠大。沒(méi)有足夠大的K1，不可能有大的磁致伸縮，但K1也不能太大。如果K1太大，磁矩旋轉(zhuǎn)所需的磁場(chǎng)將太大，這意味著s/K1大，矯頑力低。(3)居里溫度Tc應(yīng)盡可能高，至少高于使用中的環(huán)境溫度。Terfenol-D、Galfenol和FSMAB的成功開(kāi)發(fā)開(kāi)創(chuàng)了磁致伸縮材料的新時(shí)代，突破了電磁能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換技術(shù)，對(duì)尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化產(chǎn)生了重要影響，引發(fā)了智能機(jī)電產(chǎn)業(yè)從智能材料到智能器件的革命。因此，它們被認(rèn)為是新一代智能材料。到目前為止，這種材料的應(yīng)用裝置已有1750項(xiàng)專(zhuān)利。預(yù)計(jì)2015年前GMM市場(chǎng)將包括以下部分：交通運(yùn)輸：制動(dòng)管