電子材料學(xué)：磁致伸縮效應(yīng)、材料及應(yīng)用

磁致伸縮效應(yīng)、材料及應(yīng)用

MagnetostrictiveEffect,MaterialsandTheirApplications提綱什么是磁致伸縮效應(yīng)什么是飽和磁致伸縮量？磁致伸縮效應(yīng)的來(lái)源是什么？磁致伸縮效應(yīng)對(duì)磁性材料性能的影響如何？常見(jiàn)的磁致伸縮材料；幾個(gè)工程應(yīng)用實(shí)例；磁致伸縮的歷史1842年最先被JamesPrescottJoule發(fā)現(xiàn)；最先在第二次世界大戰(zhàn)中使用(sonar)；By1980’s，在商業(yè)中開(kāi)始獲得應(yīng)用；JamesPrescottJoule基本概念什么是自發(fā)磁致伸縮效應(yīng)？什么是飽和磁致伸縮系數(shù)？？？？縱向磁致伸縮：沿外加磁場(chǎng)方向尺寸的相對(duì)變化(

l/l);橫向磁致伸縮；垂直于外加磁場(chǎng)方向上的尺寸的相對(duì)變化(

l/l);體積磁致伸縮:磁化時(shí)材料體積的相對(duì)變化(

v/v);統(tǒng)稱”線性磁致伸縮”剪切模式磁致伸縮材料的基本特點(diǎn)能將磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能；施加磁場(chǎng)后材料發(fā)生形變；內(nèi)部引力能使材料形狀發(fā)生改變，形變量可通過(guò)外加磁場(chǎng)大小控制；磁化過(guò)程與磁致伸縮效應(yīng)Fe體積磁致伸縮只在很大磁場(chǎng)處的順磁磁化過(guò)程才有較大的數(shù)值！磁致伸縮曲線相對(duì)于縱軸對(duì)稱！磁致伸縮

與外加磁場(chǎng)H間的關(guān)系磁致伸縮效應(yīng)的來(lái)源自旋與軌道耦合作用產(chǎn)生的；是系統(tǒng)能量最小化的必然結(jié)果：磁致伸縮導(dǎo)致的形變是使形變后的鐵磁晶體達(dá)到總自由能等于極小值的結(jié)果；

晶格某一鐵磁性物質(zhì)的交換積分A位于上圖的B出附近。當(dāng)它由居里點(diǎn)以上溫度冷卻到居里點(diǎn)以下時(shí)，交換作用使兩原子所受的力為：該力為排斥力，將使兩原子的間距變大，鐵磁體將發(fā)生膨脹該現(xiàn)象為自發(fā)磁致伸縮效應(yīng)，是各向同性的，表現(xiàn)為體積的變化！單疇區(qū)域的磁致伸縮效應(yīng)T>TcT<TcMs在T<Tc時(shí)，由于自發(fā)磁化而具有一定的退磁能：為了降低這個(gè)退磁能，球的體積要減小，同時(shí)在自發(fā)磁化方向上要伸長(zhǎng)而變?yōu)闄E球形狀，以便減少退磁因子N，從而使單疇區(qū)域的形狀也發(fā)生變化。多磁疇多晶材料由許多這樣的單疇區(qū)域組成，Ms的取向是多個(gè)的，從而在宏觀上表現(xiàn)出體積的變化是各向同性的，如前所示L0L’HH=0,Ms=0H

0,Ms

0多疇結(jié)構(gòu)的磁致伸縮效應(yīng)磁彈性能的計(jì)算

-為磁化強(qiáng)度的方向余弦磁致伸縮的計(jì)算磁致伸縮效應(yīng)大小隨溫度的變化TypesofMagnetostrictiveMaterialsTERFENOL-D(TbDyFe)Developed25yearsagobyU.S.Navy(A.E.Clark)WidetemperaturerangeHighstrainUnlimitedcyclelifewithmicrosecondresponsetimeTERFENOL-DActuatorsMagnetostrictiveActuatorSchematicEtremaTERFENOL-DActuatorTc<285K!dTc/dB

5k/TeslaTurningatableintoaloudspeaker拖拽聲納Invar合金(低膨脹合金)

32Ni-64Fe-4Co1896年，瑞士籍法國(guó)物理學(xué)家

紀(jì)堯姆（C.E.Guialme）發(fā)現(xiàn)該成分的合金具有的這一特性：在常溫下（-80~230℃）內(nèi)表現(xiàn)出很小的熱膨脹系數(shù)（=1.6×10-6/℃

）。Guilaume由于該發(fā)現(xiàn)榮獲1920年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。對(duì)比：金屬銅在200C測(cè)得的熱膨脹系數(shù)為17.5×10-6/℃

；當(dāng)固體受熱，固體的線度伸長(zhǎng)，稱為熱膨脹。一般說(shuō)來(lái)，固體受熱膨脹是一種普遍的現(xiàn)象。要使固體的熱膨脹系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)減少，甚至趨近于零或變?yōu)樨?fù)值（熱收縮），即要產(chǎn)生Invar效應(yīng)，就必須利用固體的另一種與熱膨脹相反的熱收縮效應(yīng)。一般利用的熱收縮效應(yīng)是固體的磁效應(yīng)，即體積磁致伸縮效應(yīng)（見(jiàn)磁致伸縮），這就是當(dāng)磁性材料在磁轉(zhuǎn)變溫度(居里點(diǎn)或奈耳點(diǎn))以下從磁無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇庞行颍ㄨF磁性、亞鐵磁性或反鐵磁性）狀態(tài)時(shí)，其體積會(huì)隨著磁有序程度的增加而增大的效應(yīng)（一種熱收縮效應(yīng)）。Invar合金的應(yīng)用領(lǐng)域1.早期主要用于制造精密儀器儀表、標(biāo)準(zhǔn)鐘的擺桿、擺輪及鐘表的游絲；2.在1920年代用Invar代替鉑用作于玻璃封接的引絲，顯著降低了成本；3.到了1950-1960年代，主要用于電子管、控溫用的熱雙金屬片、長(zhǎng)度標(biāo)尺、大地測(cè)量基線尺等；4.到了1980-1990年代，廣泛用于微波技術(shù)、液化氣容器、彩電的蔭罩、架空電纜芯材、諧振腔、激光準(zhǔn)直儀腔體、光刻機(jī)主基板等；5.進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用拓展到航天遙感器、精密激光設(shè)備、光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)件、各種顯微鏡、天文望遠(yuǎn)鏡中大型透鏡的支撐系統(tǒng)以及需要安裝透鏡的各類科學(xué)儀器。磁致伸縮液位計(jì)的傳感器工作時(shí)，傳感器的電路部分將在波導(dǎo)管內(nèi)的波導(dǎo)絲上激勵(lì)出脈沖電流，該電流沿波導(dǎo)絲向下傳播時(shí)會(huì)在波導(dǎo)絲的周?chē)a(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)。在傳感器測(cè)桿外配有一浮子，此浮子可以隨液位的變化而上下移動(dòng)。在浮子內(nèi)部有一組永磁鐵。當(dāng)脈沖磁場(chǎng)與浮子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相遇時(shí)，浮子周?chē)拇艌?chǎng)發(fā)生改變從而使得