磁致伸縮材料講稿

1、Logo磁致伸縮材料概述磁致伸縮材料應(yīng)具有的特征磁致伸縮系數(shù)大，能將更多的磁能轉(zhuǎn)化為機械能驅(qū)動磁場小，能在較低的磁場下實現(xiàn)較大的磁致伸縮應(yīng)變居里溫度較高，能廣泛應(yīng)用于各種高溫環(huán)境材料成本較低，制備工藝簡單磁致伸縮材料的發(fā)展 磁致伸縮性能在1842年已被發(fā)現(xiàn)，直到1940年才得到初步應(yīng)用。那是人們發(fā)現(xiàn)Ni和Co具有較大的磁致伸縮性。直到70年代一種新型的稀土超磁性伸縮功能材料發(fā)現(xiàn)以來，人們發(fā)現(xiàn)并運用的都是金屬材料，應(yīng)用范圍受到很大限制。1973年人們發(fā)現(xiàn)Tb1-XDyXFe2這種新型材料，其磁致伸-縮系數(shù)比傳統(tǒng)材料的約大80倍，土超磁致伸縮材料主要是指稀土一鐵系金屬間化合物，這類材料的磁致伸縮值

2、達(dá)到15002000*10-6，比傳統(tǒng)材料的的磁致伸縮大約2個數(shù)量級，因此被稱為稀土超磁致伸縮材料。此后，各國都對稀土超磁致伸縮材料進(jìn)行的大量的研究，采用各種不同制作工藝，不同的制作條件，制成了具有各種不同性質(zhì)的超磁致伸縮材料，取得了長足進(jìn)展和一定成就。磁致伸縮材料的分類第一類：具有磁致伸縮效應(yīng)的金屬和合金第二類：鐵氧體磁致伸縮材料第三類：稀土金屬化合物超磁致伸縮材料第四類：非磁性元素Ga與Fe制備的Fe-Ga合金磁性材料磁致伸縮來源效應(yīng)1、自旋軌道耦合效應(yīng)2、交換積分效應(yīng)3、場致磁致伸縮效應(yīng)4、形狀效應(yīng)1、自旋軌道耦合效應(yīng)磁致伸縮與自旋軌道耦合效應(yīng)直接的關(guān)系可用圖一進(jìn)行。橢圓線包圍著非球形分

3、布的電子，箭頭表示每個原子的凈磁矩。假定自旋軌道耦合效應(yīng)很強，在溫度低于Tc時發(fā)生的自發(fā)磁化效應(yīng)將使自旋旋轉(zhuǎn)，由于磁晶各向異性，電子云成為從左向右看去的特定取向，這將強迫核的間距拉開，然后。垂直方向加外磁場，自旋和電子云都旋轉(zhuǎn)90，出現(xiàn)磁致伸縮形變。這種效應(yīng)是磁致伸縮的主要來源。圖一：磁致伸縮與自旋軌道耦合效應(yīng)和之間的關(guān)系2、交換積分效應(yīng)自發(fā)磁致伸縮是由交換力引起的，當(dāng)磁體從順磁轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁狀態(tài)時，其交換能也發(fā)生變化，晶格的排列總是選擇一種能量最低的位置。從斯萊特曲線可以發(fā)現(xiàn)，交換積分越大其交換能越小，原子間的距離總是朝交換積分大的方向變化。假設(shè)有一個單疇的晶體，在居里溫度以上是球形的，由于系統(tǒng)

4、在變化的過程中總是力圖使交換能變小，所以當(dāng)其自居里溫度以上冷卻下來，從順磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變到鐵磁狀態(tài)時，由于交換作用力使晶體自發(fā)磁化，同時，晶體也就改變了形狀，晶體的尺寸就增大了。圖二：斯萊特曲線3、場致磁致伸縮效應(yīng)在鐵磁或亞磁體中，當(dāng)溫度在居里溫度以下時 自發(fā)磁化在材料的內(nèi)部形成大量磁軸，假設(shè)疇的形狀在居里溫度以上是球形的，自動磁化后變?yōu)闄E球形，其磁化強度反向橢球的一個主軸。 當(dāng)沒有外磁場時，磁疇的磁化是隨機的，外加磁場后，通過疇壁移動和磁疇轉(zhuǎn)動，最終大量磁軸的磁化方向?qū)A向平行于外場。如果疇內(nèi)的磁化強度方向是自發(fā)形變的長軸，則材料在外場方向?qū)⑸扉L，表現(xiàn)為正的磁致伸縮；如果磁化強度方向是自發(fā)形變的短

5、軸，則材料在外場方向?qū)⒖s短，表現(xiàn)為負(fù)的磁致伸縮。當(dāng)磁場小于飽和磁化場時，樣品主要表現(xiàn)為線磁致伸縮，而體積幾乎不變；當(dāng)磁場大于飽和磁化場時，樣品主要表現(xiàn)為體積磁致伸縮。圖三：場致磁致伸縮示意圖4、形狀效應(yīng)形狀效應(yīng)主要是為了降低退磁場能量，要求磁體的體積要縮小，而且在磁化方向要伸長以減少退磁因子，設(shè)一個球形的單疇樣品，想象其內(nèi)部沒有交換作用和自旋軌道的耦合作用，而只有退磁能，為了降低退磁能，在磁化方向要伸長以減小退磁因子N，這就是退磁效應(yīng)，它對磁致伸縮的貢獻(xiàn)比前兩者要小。Fe-Ga合金的成分、相結(jié)構(gòu)和性能 室溫下純Fe的磁致伸縮值只有： 100=20ppm，111=-16ppm 加入非磁性的元素G

6、a后，形成替代式固溶體，Ga原子在固溶體中的占位直接影響著合金的有序、無序程度，從而影響Fe-Ga合金的磁致伸縮性能，所以研究不同相結(jié)構(gòu)與Fe-Ga合金的磁致伸縮性能之間的關(guān)系很有意義。圖四：Fe-Ga二元合金系相圖圖五：A2、B2、DO3和B2-like相晶體結(jié)構(gòu)圖A2、B2和DO3相屬于體心立方結(jié)構(gòu)，Ll2相為面心立方相，DO19相屬于六方晶系相。當(dāng)Ga含量在036at%范圍，在1037以上為A2單相固溶體，在低Ga范圍內(nèi)以-Fe結(jié)構(gòu)固溶體的形式存在，穩(wěn)定態(tài)為無序的A2和有序的B2、DO3相。T.A.Lograsso等在對無序結(jié)構(gòu)如何提高磁應(yīng)變方面進(jìn)行了相關(guān)探討，他們用X射線對淬火態(tài)單晶進(jìn)行（100）和（111）面掃射時觀測觀測到在2=44處有明顯衍射峰，該峰與無序bcc相、有序DO3、Ll2相均沒有對應(yīng)關(guān)系。他們認(rèn)為是合金中出現(xiàn)了新的四方相，該相有類似DO3晶體結(jié)構(gòu)，又區(qū)別于DO3結(jié)構(gòu)，稱為modified-DO3結(jié)構(gòu)（也稱B2-like結(jié)構(gòu)），其內(nèi)部有沿【100】方向排列的G