3.2稀土磁致伸縮ppt課件

1、在NdFeB 永磁材料中如果用C 代替B會是什么樣的？ 所有的稀土元素與鐵和硼均可形成所有的稀土元素與鐵和硼均可形成REFeB化合物，化合物，其中釹鐵硼均可制成有實用意義的永磁材料。釹鐵硼其中釹鐵硼均可制成有實用意義的永磁材料。釹鐵硼化合物類金屬硼等元素的添加對四方相釹鐵硼的形成化合物類金屬硼等元素的添加對四方相釹鐵硼的形成起決定性作用。實驗結果表明，不含硼的起決定性作用。實驗結果表明，不含硼的Nd-Fe合金合金由由a-Fe和和NdFe相組成。當硼摩爾分數(shù)增加到相組成。當硼摩爾分數(shù)增加到4%時，時，NdFe相消失，開始出現(xiàn)釹鐵硼相。當硼摩爾分數(shù)增相消失，開始出現(xiàn)釹鐵硼相。當硼摩爾分數(shù)增加到加到

2、7%時，時，a-Fe相消失，合金由釹鐵硼和富釹以及相消失，合金由釹鐵硼和富釹以及富硼相組成。隨硼含量增加，富硼相的數(shù)量有所增加。富硼相組成。隨硼含量增加，富硼相的數(shù)量有所增加。有碳取代硼原子亦可形成釹鐵碳化合物，其晶體結構有碳取代硼原子亦可形成釹鐵碳化合物，其晶體結構與釹鐵硼的相同。與釹鐵硼的相同。NdFeC化合物亦具有相當高的內稟化合物亦具有相當高的內稟磁性，但由于其形成困難，同時在高溫區(qū)要分解，因磁性，但由于其形成困難，同時在高溫區(qū)要分解，因此不能用來制備有實際意義的永磁材料。硅與碳雖然此不能用來制備有實際意義的永磁材料。硅與碳雖然有相同的原子價，但硅的原子半徑比硼的原子半徑大有相同的原子

3、價，但硅的原子半徑比硼的原子半徑大得多，因而硅只能取代鐵原子晶位而不能取代硼原子得多，因而硅只能取代鐵原子晶位而不能取代硼原子晶位。晶位。 在SmCo5的750回火效應中， 提到 反鐵磁性172725CoSmCoSmSmCo第七節(jié) 稀土超磁致伸縮材料magne-tostriction 超磁致伸縮材料超磁致伸縮材料GMM是是19世紀世紀70年代迅速發(fā)展起來的新型功能材料，是年代迅速發(fā)展起來的新型功能材料，是由焦耳發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象。由焦耳發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象。 目前已被視為目前已被視為21世紀提高國家高科技綜世紀提高國家高科技綜合競爭力的戰(zhàn)略性功能材料。合競爭力的戰(zhàn)略性功能材料。GMM器器件的性能已被證明

4、優(yōu)于壓民陶瓷換能材件的性能已被證明優(yōu)于壓民陶瓷換能材料，在軍民兩用高科技領域具有難以估料，在軍民兩用高科技領域具有難以估量的應用前景。量的應用前景。優(yōu)點：優(yōu)點： GMM在室溫下機械能電能轉換率在室溫下機械能電能轉換率高、能量密度大、響應速度高、可靠性好、高、能量密度大、響應速度高、可靠性好、驅動方式簡單驅動方式簡單 應用：應用： 迄今已有迄今已有1000多種多種GMM器件問世，器件問世，應用面涉及航空航天、國防軍工、電子、應用面涉及航空航天、國防軍工、電子、機械、石油、紡織、農(nóng)業(yè)等諸多領域，大機械、石油、紡織、農(nóng)業(yè)等諸多領域，大大促進了相關產(chǎn)業(yè)的技術進步。例如大功大促進了相關產(chǎn)業(yè)的技術進步。例

5、如大功率率GMM換能器用于油井處理，可降低石換能器用于油井處理，可降低石油粘度，改善流動特性，大大提高石油產(chǎn)油粘度，改善流動特性，大大提高石油產(chǎn) 量。量。 RE-GMM 利用磁致伸縮效應可以使磁能轉換為機利用磁致伸縮效應可以使磁能轉換為機械能，而利用磁致伸縮的逆效應可以使械能，而利用磁致伸縮的逆效應可以使機械能轉變?yōu)榇拍?。這種能量轉換器件機械能轉變?yōu)榇拍堋＿@種能量轉換器件用處很多，但這些村料的磁致伸縮常數(shù)用處很多，但這些村料的磁致伸縮常數(shù)大約在大約在10-5級，實際應用范圍受到一定級，實際應用范圍受到一定限制。限制。1963-1965年，發(fā)現(xiàn)年，發(fā)現(xiàn)Tb，Dy等等稀土類單晶在低溫下的磁致伸縮常

6、數(shù)高稀土類單晶在低溫下的磁致伸縮常數(shù)高達達10-3以上，由此開始了稀土類以上，由此開始了稀土類-過渡過渡金屬系磁致伸縮金屬間化臺物的開發(fā)。金屬系磁致伸縮金屬間化臺物的開發(fā)。未來發(fā)展領域：未來發(fā)展領域：在國防軍工及航空航天業(yè)，應用于水下艦艇移動在國防軍工及航空航天業(yè)，應用于水下艦艇移動通訊、探通訊、探/檢測系統(tǒng)、聲音模擬系統(tǒng)、航空飛行器、檢測系統(tǒng)、聲音模擬系統(tǒng)、航空飛行器、地面運載工具和武器等；地面運載工具和武器等；電子工業(yè)及高精度自動控制等技術行業(yè)，用電子工業(yè)及高精度自動控制等技術行業(yè)，用GMM制造的微位移驅動器可用于機器人、超精密制造的微位移驅動器可用于機器人、超精密機械加工、各種精密儀器和

7、光盤驅動器等；機械加工、各種精密儀器和光盤驅動器等；海洋科學及近海工程業(yè)，用于海流分布、水下地海洋科學及近海工程業(yè)，用于海流分布、水下地貌、地震預報等的勘測裝置和用于發(fā)射及接收聲貌、地震預報等的勘測裝置和用于發(fā)射及接收聲訊號的大功率低頻聲納系統(tǒng)等；訊號的大功率低頻聲納系統(tǒng)等；機械、紡織業(yè)及汽車制造業(yè)，可用于自動剎車系機械、紡織業(yè)及汽車制造業(yè)，可用于自動剎車系統(tǒng)、燃料統(tǒng)、燃料/注入噴射系統(tǒng)和高性能微型機械功率源注入噴射系統(tǒng)和高性能微型機械功率源等；等；大功率超聲波、石油業(yè)及醫(yī)療業(yè)，用于超聲化學、大功率超聲波、石油業(yè)及醫(yī)療業(yè)，用于超聲化學、超聲醫(yī)療技術、助聽器和大功率換能器等。此外，超聲醫(yī)療技術、

8、助聽器和大功率換能器等。此外，還可用于振動機械、建筑機械及焊接裝置、高保還可用于振動機械、建筑機械及焊接裝置、高保真音響等許多領域。真音響等許多領域。 一、概述一、概述 定義：鐵磁材料和亞鐵磁材料，在定義：鐵磁材料和亞鐵磁材料，在外磁場被磁化時，其長度和體積都外磁場被磁化時，其長度和體積都要發(fā)生變化，而失去外磁場后，又要發(fā)生變化，而失去外磁場后，又恢復原來長度或體積，這種現(xiàn)象稱恢復原來長度或體積，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。為磁致伸縮。磁致伸縮材料主要分磁致伸縮材料主要分4大類：大類：1.過渡族金屬與合金：過渡族金屬與合金：Fe、Ni合金，合金，NiCo，NiCoCr和鐵基合金和鐵基合金FeNi，F(xiàn)

9、eAl，F(xiàn)eCoV等。等。2.重稀土金屬合金：重稀土金屬合金：Tb0.6Dy0.4合金合金3.稀土與過渡金屬間化合物：稀土與過渡金屬間化合物：REFe3,RE5Fe23,RE2Fe17,TbNi0.4Fe1.64.錒系金屬化合物錒系金屬化合物 稀土與過渡金屬，如稀土與過渡金屬，如Fe，Co等的二元或等的二元或三元合金則具有巨大的磁致伸縮值，高三元合金則具有巨大的磁致伸縮值，高于非稀土的近百倍。于非稀土的近百倍。稀土超磁致伸縮材料稀土超磁致伸縮材料RE-GMM 達到15002000ppm稀土磁致伸縮材料主要是稀土鐵系金稀土磁致伸縮材料主要是稀土鐵系金屬間化合物，這類材料具有比鐵、鎳大屬間化合物，

10、這類材料具有比鐵、鎳大得多的磁致伸縮值，并且機械響應快、得多的磁致伸縮值，并且機械響應快、功率密度高，所以可廣泛應用于聲納系功率密度高，所以可廣泛應用于聲納系統(tǒng)、大功率超聲器件、精密控制系統(tǒng)、統(tǒng)、大功率超聲器件、精密控制系統(tǒng)、各種閥門、驅動器等，是一種具有廣闊各種閥門、驅動器等，是一種具有廣闊發(fā)展前景的稀土功能材料。發(fā)展前景的稀土功能材料。二、磁致伸縮效應和機理二、磁致伸縮效應和機理1.線磁致伸縮：線磁致伸縮： 當材料在磁化時，伴有當材料在磁化時，伴有晶格的自發(fā)的晶格變形，即沿著磁化方向晶格的自發(fā)的晶格變形，即沿著磁化方向生長或縮短，稱為線磁致伸縮。變化的數(shù)生長或縮短，稱為線磁致伸縮。變化的數(shù)

11、量級為量級為106105.當磁體發(fā)生線磁致當磁體發(fā)生線磁致伸縮時，體積幾乎不變，而只改變磁體的伸縮時，體積幾乎不變，而只改變磁體的外形。在磁化未達到飽和狀態(tài)時，主要是外形。在磁化未達到飽和狀態(tài)時，主要是磁體長度變化產(chǎn)生線磁致伸縮。磁體長度變化產(chǎn)生線磁致伸縮。ll線性磁致伸縮系數(shù)線性磁致伸縮系數(shù) 2.體積磁致伸縮：體積磁致伸縮： 當材料在磁化狀態(tài)改變時，體積發(fā)生當材料在磁化狀態(tài)改變時，體積發(fā)生膨脹或收縮的現(xiàn)象。飽和磁化以后，主膨脹或收縮的現(xiàn)象。飽和磁化以后，主要是體積變化產(chǎn)生體積磁致伸縮。（一要是體積變化產(chǎn)生體積磁致伸縮。（一般磁體中體積磁致伸縮很小，實際用途般磁體中體積磁致伸縮很小，實際用途也

12、很少，在測量和研究中，所以一般磁也很少，在測量和研究中，所以一般磁致伸縮都指的是線磁致伸縮）。致伸縮都指的是線磁致伸縮）。正負磁致伸縮：正負磁致伸縮： 當未加外加磁場時，磁疇的磁化方向當未加外加磁場時，磁疇的磁化方向是隨機的；加上外磁場后，通過疇壁的運是隨機的；加上外磁場后，通過疇壁的運動和磁化方向的轉動，最終大量的磁疇的動和磁化方向的轉動，最終大量的磁疇的磁化方向將傾向平行于磁場。磁化方向將傾向平行于磁場。如果疇內磁化強度方向是自發(fā)形成的長軸，如果疇內磁化強度方向是自發(fā)形成的長軸，則材料在外場方向將伸長，這時正磁致伸則材料在外場方向將伸長，這時正磁致伸縮?？s。如果磁化強度方向是自發(fā)形變的短軸

13、，則如果磁化強度方向是自發(fā)形變的短軸，則材料在外場方向將縮短，這是負磁致伸縮。材料在外場方向將縮短，這是負磁致伸縮。磁致伸縮機理磁致伸縮機理 當材料的磁化狀態(tài)發(fā)生改變時，當材料的磁化狀態(tài)發(fā)生改變時，其自身的形狀和體積要發(fā)生變化，以其自身的形狀和體積要發(fā)生變化，以使總能量達到最小。使總能量達到最小。磁致伸縮一般起源于下列集中作用：磁致伸縮一般起源于下列集中作用：（1當材料的晶格發(fā)生畸變時，其當材料的晶格發(fā)生畸變時，其交換能也隨之變化，晶格的排列總是交換能也隨之變化，晶格的排列總是選擇一種能量最低的位置。這種晶格選擇一種能量最低的位置。這種晶格畸變可以是各向同性的，也可以是各畸變可以是各向同性的，

14、也可以是各向異性的。向異性的。（2原子的磁偶極距之間的相互作原子的磁偶極距之間的相互作用也能引起磁致伸縮。（各向異性的）用也能引起磁致伸縮。（各向異性的）（3由原子的軌道和晶場的相互作用及由原子的軌道和晶場的相互作用及自旋軌道相互作用而引起的磁致伸縮。自旋軌道相互作用而引起的磁致伸縮。（各向異性）（大磁致伸縮的主要來源）（各向異性）（大磁致伸縮的主要來源） 一般所說的磁致伸縮指的是場致形變，一般所說的磁致伸縮指的是場致形變，即當施加外磁場時，材料沿某一方向長度即當施加外磁場時，材料沿某一方向長度的變化。在鐵磁或亞鐵磁材料中，當溫度的變化。在鐵磁或亞鐵磁材料中，當溫度在材料居里點一下的溫度時，由

15、于自發(fā)磁在材料居里點一下的溫度時，由于自發(fā)磁化在材料的內部形成大量的磁疇。每個疇化在材料的內部形成大量的磁疇。每個疇內，由于上述的幾種作用機制，晶格都發(fā)內，由于上述的幾種作用機制，晶格都發(fā)生形變。生形變。 稀土離子超磁致伸縮的來源稀土離子超磁致伸縮的來源 主要來源于未滿的主要來源于未滿的4f層電子，層電子，受外層受外層5s、5p和和6s電子的屏蔽。且電子的屏蔽。且稀土金屬的原子間距比半徑大稀土金屬的原子間距比半徑大1-2數(shù)量級。數(shù)量級。 所以軌道與自旋耦合作用比稀土中所以軌道與自旋耦合作用比稀土中心離子和周圍配體離子所產(chǎn)生的晶心離子和周圍配體離子所產(chǎn)生的晶體場的相互作用大體場的相互作用大1-2

16、個數(shù)量級。個數(shù)量級。 RE-GMM擁有大的磁致伸縮系數(shù)：擁有大的磁致伸縮系數(shù)： 稀土離子的稀土離子的4f電子軌道具有強烈電子軌道具有強烈的各向異性，當自發(fā)磁化后，的各向異性，當自發(fā)磁化后，4f層電子層電子云會在某一個或幾個特定的方向能量達云會在某一個或幾個特定的方向能量達到最低，從而引起晶格沿著這幾個特定到最低，從而引起晶格沿著這幾個特定的方向產(chǎn)生較大的畸變，這樣當施加外的方向產(chǎn)生較大的畸變，這樣當施加外磁場時就產(chǎn)生了大的磁致伸縮。磁場時就產(chǎn)生了大的磁致伸縮。軌道角動量凍結軌道角動量凍結在晶場中的在晶場中的3d過渡金屬的磁性離子的原子磁矩過渡金屬的磁性離子的原子磁矩僅等于電子自旋磁矩，而電子的

17、軌道磁矩沒有貢獻。僅等于電子自旋磁矩，而電子的軌道磁矩沒有貢獻。此現(xiàn)象稱為軌道角動量凍結。此現(xiàn)象稱為軌道角動量凍結。軌道角動量凍結的物理機制：軌道角動量凍結的物理機制：過渡金屬的過渡金屬的3d電子軌道暴露在外面，受晶場的電子軌道暴露在外面，受晶場的控制。晶場的值為控制。晶場的值為102-104(cm-1)大于自旋大于自旋-軌道耦軌道耦合能合能(l)102(cm-1).晶場對電子軌道的作用是庫侖相互作用，因而晶場對電子軌道的作用是庫侖相互作用，因而對電子自旋不起作用。隨著對電子自旋不起作用。隨著3d電子的軌道能級在晶電子的軌道能級在晶場作用下劈裂，軌道角動量消失。場作用下劈裂，軌道角動量消失。對

18、開殼層分子分子中含有不成對電子），對開殼層分子分子中含有不成對電子），自旋磁矩肯定不為零，但是否具有軌道磁矩，即自旋磁矩肯定不為零，但是否具有軌道磁矩，即軌道是否軌道是否“凍結凍結”， 要根據(jù)不同情況而定。徐要根據(jù)不同情況而定。徐光憲教授根據(jù)量子化學的結論總結出軌道不光憲教授根據(jù)量子化學的結論總結出軌道不“凍凍結結”（軌道磁矩有貢獻的三個條件：（軌道磁矩有貢獻的三個條件：（1未未成對電子占據(jù)的是簡并軌道中的一個；（成對電子占據(jù)的是簡并軌道中的一個；（2在在與該未成對電子占據(jù)軌道簡并的諸軌道中，至少與該未成對電子占據(jù)軌道簡并的諸軌道中，至少有一個沒有與該未成對電子自旋平行的電子占據(jù)；有一個沒有與

19、該未成對電子自旋平行的電子占據(jù)；（3上述兩個簡并軌道可以通過繞某軸旋轉適上述兩個簡并軌道可以通過繞某軸旋轉適當角度而彼此重跌。顯然當角度而彼此重跌。顯然“凍結的起碼前提條凍結的起碼前提條件是不成對電子占據(jù)簡并分子軌道。件是不成對電子占據(jù)簡并分子軌道。 三、稀土超磁致伸縮材料的結構三、稀土超磁致伸縮材料的結構 Tb0.27Dy0.73Fe2-x0 x 0.5等典型稀土等典型稀土-鐵三元系超磁致伸縮材料。鐵三元系超磁致伸縮材料。 磁性晶體的性能除了與晶體結構有關外，磁性晶體的性能除了與晶體結構有關外，還與晶體的微結構以及磁性體的磁疇結還與晶體的微結構以及磁性體的磁疇結構密切相關。構密切相關。四、稀土超磁致伸縮材料的性能四、稀土超磁致伸縮材料的性能 磁致伸縮常數(shù)的測定通常采用應變什來磁致伸縮常數(shù)的測定通常采用應變什來進行。進行。 硅鋼片用硅鋼片用 FeFeSiSi臺金的臺金的100 100 和和111 111 與成分間的關系圖如后。與成分間的關系圖如后。100為正，為正，11