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———————————————————————————————————————————————先进材料基础-磁致伸缩效应 《先进材料基础》结课论文 磁致伸缩效应 专业班级 姓 名 学 号 授课教师 引言 磁致伸缩效应是指材料在外加磁场条件下的变形。磁致伸缩效应于19世纪（1842年）被英国物理学家詹姆斯.焦耳发现。他观察到，一类铁磁类材料，如：铁，在磁场中会改变长度。焦耳事实上观察到的是具有负向磁致伸缩效应的材料，但从那时起，具有正向磁致伸缩效应的材料也被发现了。 磁致伸缩效应的原理 小磁畴的旋转被认为是磁致伸缩效 应改变长度的原因。磁畴旋转以及重新定 位导致了材料结构的内部应变。结构内的 应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于 正向磁致伸缩效应）。在此伸展过程中， 总体积基本保持不变，材料横截面积减 小。总体积的改变很小，在正常运行条件 下可以被忽略。增强磁场可以使越来越多 的磁畴在磁场方向更为强烈和准确的重 新定位。所有磁畴都沿磁场方向排列整齐即达到饱和状态。图1中即为长度随磁场强度变化的理想化。 磁畴的重新定位的物理背景在于简 要、纲要性的描述（如图2）。在0和1 区间之间，提供的磁场很小，磁畴几乎不 体现其定位模式。由材料如何形成所决定 的内容或许是其通常的定位形式的一小部 分，显出其永久性的偏磁性。其导致的应 变与磁致伸缩材料的基本结构和材料化学 成分均匀性有很大联系。在 1-2 区间，我们 设想，应变与磁场之间存在几乎趋于线性的关系。因为关系简单，容易预测材料的性能，所以，大部分设备被设计工作于这个区间。曲线超过点2后，应变与磁场关系又变为非线性，这是由于大部分磁畴已经按照磁场的方向排列整齐。在点 3，出现饱和现象，阻止了应变的进一步增加。 磁致伸缩效应分为线磁致伸缩和体积磁致伸缩，磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大得多，所以人们研究应用的主要对象是线磁致伸缩，而体积磁致伸缩由于变化量很小，在测量和研究中很少考虑，线磁致伸缩的变化量级为10～10。 -5-6 磁致伸缩材料的分类 磁致伸缩材料已发现并制造了许多种，可分为金属与合金、铁氧体以及新开发的新型磁致伸缩材料： [1]金属与合金材料 金属与合金材料的特点是机械强度高，性能比较稳定，适合制作大功率的发射换能器，缺点是换能效率不高，如纯镍的电声转换效率约为30%，这意味着要输出10千瓦的声功率时，电振荡器输出功率就需要30千瓦左右，这势必使超声频电振荡发生器要做得很庞大。此外，金属材料的涡流损耗也较大。典型材料有： 镍：这是最早使用的磁致伸缩材料，其特点是在磁场强度或磁感应强度增大时，它的长度变小。镍的电阻率较低，涡流损耗较大（在制作时可以通过把它压延成薄片后以层间绝缘的方式迭制来减少涡流损耗）。此外，其价格昂贵，故目前已多采用其合金，如镍铁-45%Ni最为常用，还有镍钴铬合金等。 铁铝合金：这种材料的价格比较低廉而受到广泛应用。其机械性能较脆是它的弱点，但仍可压延成片使用，此外，其耐蚀性也尚不致有太多影响，其性能接近低镍含量的铁镍合金。 铁钴钒合金：这种材料的磁致伸缩效应比镍还强，居里温度也比镍高得多，而且还具有恒磁性，但是它的性能与热处理关系极大（化学成分和热处理都是合金特定状态-磁畴形成的重要条件）。此外还有铁钴合金（由等份量的铁和钴组成，具有很高的饱和磁导率。 [2]铁氧体 铁氧体，是一种具有高电阻率的铁氧非金属磁性材料，通常是以四氧化三铁（Fe3O4）为基体再加入其他成分烧结而成，因而便于直接烧结成所需的几何 形状。铁氧体材料的优点是电声效率高，由于电阻率高而使得涡流损耗和磁滞损失也较小，而且磁致伸缩效应显着，适合用作接收换能器，此外，其价格低廉也是重要的优点之一。 典型的铁氧体材料有镍铁氧体、镍钴铁氧体、镍铜钴铁氧体等。 [3]新型磁致伸缩材料 铁系非晶态强磁体：非晶态金属是一种原子排列杂乱无序（类似液体），结构稠密的固体金属，这是特异状态的物质，是由熔融金属高速冷却制成的。它具有较强的韧性和较大的变形能力，耐蚀性也很强。由于非晶态金属的原子排列无秩序，在原理上不会存在结晶体的磁性能各向异性。含有多量铁的非晶态强磁性体具有很大的磁致伸缩