稀土磁致伸缩.ppt

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1、在NdFeB 永磁材料中如果用C 代替B会是什么样的？所有的稀土元素与铁和硼均可形成所有的稀土元素与铁和硼均可形成REFeB化合物，化合物，其中钕铁硼均可制成有实用意义的永磁材料。钕铁硼其中钕铁硼均可制成有实用意义的永磁材料。钕铁硼化合物类金属硼等元素的添加对四方相钕铁硼的形成化合物类金属硼等元素的添加对四方相钕铁硼的形成起决定性作用。实验结果表明，不含硼的起决定性作用。实验结果表明，不含硼的Nd-Fe合金合金由由a-Fe和和NdFe相组成。当硼摩尔分数增加到相组成。当硼摩尔分数增加到4%时，时，NdFe相消失，开始出现钕铁硼相。当硼摩尔分数增加相消失，开始出现钕铁硼相。当硼摩尔分数增加到到7

2、%时，时，a-Fe相消失，合金由钕铁硼和富钕以及富相消失，合金由钕铁硼和富钕以及富硼相组成。随硼含量增加，富硼相的数量有所增加。硼相组成。随硼含量增加，富硼相的数量有所增加。有碳取代硼原子亦可形成钕铁碳化合物，其晶体结构有碳取代硼原子亦可形成钕铁碳化合物，其晶体结构与钕铁硼的相同。与钕铁硼的相同。NdFeC化合物亦具有相当高的内禀化合物亦具有相当高的内禀磁性，但由于其形成困难，同时在高温区要分解，因磁性，但由于其形成困难，同时在高温区要分解，因此不能用来制备有实际意义的永磁材料。硅与碳虽然此不能用来制备有实际意义的永磁材料。硅与碳虽然有相同的原子价，但硅的原子半径比硼的原子半径大有相同的原子价

3、，但硅的原子半径比硼的原子半径大得多，因而硅只能取代铁原子晶位而不能取代硼原子得多，因而硅只能取代铁原子晶位而不能取代硼原子晶位。晶位。在SmCo5的750回火效应中，提到 反铁磁性第七节第七节 稀土超磁致伸缩稀土超磁致伸缩材料材料magne-tostrictionmagne-tostriction超磁致伸缩材料（超磁致伸缩材料（GMM）是）是19世纪世纪70年代迅速发展起来的新型功能材料，是年代迅速发展起来的新型功能材料，是由焦耳发现的物理现象。由焦耳发现的物理现象。目前已被视为目前已被视为21世纪提高国家高科技综世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性功能材料。合竞争力的战略性功能材料。GMM

4、器器件的性能已被证明优于压民陶瓷换能材件的性能已被证明优于压民陶瓷换能材料，在军民两用高科技领域具有难以估料，在军民两用高科技领域具有难以估量的应用前景。量的应用前景。优点：优点：GMM在室温下机械能电能转换率高、在室温下机械能电能转换率高、能量密度大、响应速度高、可靠性好、驱能量密度大、响应速度高、可靠性好、驱动方式简单动方式简单 应用：应用：迄今已有迄今已有1000多种多种GMM器件问世，器件问世，应用面涉及航空航天、国防军工、电子、应用面涉及航空航天、国防军工、电子、机械、石油、纺织、农业等诸多领域，大机械、石油、纺织、农业等诸多领域，大大促进了相关产业的技术进步。例如大功大促进了相关产

5、业的技术进步。例如大功率率GMM换能器用于油井处理，可降低石油换能器用于油井处理，可降低石油粘度，改善流动特性，大大提高石油产粘度，改善流动特性，大大提高石油产 量。量。RE-GMM 利用磁致伸缩效应可以使磁能转换为机利用磁致伸缩效应可以使磁能转换为机械能，而利用磁致伸缩的逆效应可以使械能，而利用磁致伸缩的逆效应可以使机械能转变为磁能。这种能量转换器件机械能转变为磁能。这种能量转换器件用处很多，但这些村料的磁致伸缩常数用处很多，但这些村料的磁致伸缩常数大约在大约在10-5级，实际应用范围受到一定级，实际应用范围受到一定限制。限制。1963-1965年，发现年，发现Tb，Dy等等稀土类单晶在低温

6、下的磁致伸缩常数高稀土类单晶在低温下的磁致伸缩常数高达达10-3以上，由此开始了稀土类以上，由此开始了稀土类-过渡金过渡金属系磁致伸缩金属间化台物的开发。属系磁致伸缩金属间化台物的开发。未来发展领域：未来发展领域：在国防军工及航空航天业在国防军工及航空航天业，应用于水下舰艇移动通讯、，应用于水下舰艇移动通讯、探探/检测系统、声音模拟系统、航空飞行器、地面运载工检测系统、声音模拟系统、航空飞行器、地面运载工具和武器等；具和武器等；电子工业及高精度自动控制等技术行业电子工业及高精度自动控制等技术行业，用，用GMM制造的制造的微位移驱动器可用于机器人、超精密机械加工、各种精密微位移驱动器可用于机器人

7、、超精密机械加工、各种精密仪器和光盘驱动器等；仪器和光盘驱动器等；海洋科学及近海工程业海洋科学及近海工程业，用于海流分布、水下地貌、地，用于海流分布、水下地貌、地震预报等的勘测装置和用于发射及接收声讯号的大功率低震预报等的勘测装置和用于发射及接收声讯号的大功率低频声纳系统等；频声纳系统等；机械、纺织业及汽车制造业，机械、纺织业及汽车制造业，可用于自动刹车系统、燃可用于自动刹车系统、燃料料/注入喷射系统和高性能微型机械功率源等；注入喷射系统和高性能微型机械功率源等；大功率超声波、石油业及医疗业，大功率超声波、石油业及医疗业，用于超声化学、超声用于超声化学、超声医疗技术、助听器和大功率换能器等。此

8、外，还可用于振医疗技术、助听器和大功率换能器等。此外，还可用于振动机械、建筑机械及焊接装置、高保真音响等许多领域。动机械、建筑机械及焊接装置、高保真音响等许多领域。一、概述一、概述定义：定义：铁磁材料和亚铁磁材料，在外磁铁磁材料和亚铁磁材料，在外磁场被磁化时，其长度和体积都要发生变场被磁化时，其长度和体积都要发生变化，而失去外磁场后，又恢复原来长度化，而失去外磁场后，又恢复原来长度或体积，这种现象称为磁致伸缩。或体积，这种现象称为磁致伸缩。磁致伸缩材料主要分磁致伸缩材料主要分4大类：大类：1.过渡族金属与合金：过渡族金属与合金：Fe、Ni合金，合金，NiCo，NiCoCr和铁基合金和铁基合金F

9、eNi，FeAl，FeCoV等。等。2.重稀土金属合金：重稀土金属合金：Tb0.6Dy0.4合金合金3.稀土与过渡金属间化合物：稀土与过渡金属间化合物：REFe3,RE5Fe23,RE2Fe17,TbNi0.4Fe1.64.锕系金属化合物锕系金属化合物稀土与过渡金属，如稀土与过渡金属，如Fe，Co等的二元或等的二元或三元合金则具有巨大的磁致伸缩值，高三元合金则具有巨大的磁致伸缩值，高于非稀土的近百倍。于非稀土的近百倍。稀土超磁致伸缩材料稀土超磁致伸缩材料RE-GMM 达到达到15002000ppm稀土磁致伸缩材料主要是稀土铁系金稀土磁致伸缩材料主要是稀土铁系金属间化合物，这类材料具有属间化合物

10、，这类材料具有比铁、镍大比铁、镍大得多的磁致伸缩值得多的磁致伸缩值，并且，并且机械响应快机械响应快、功率密度高功率密度高，所以可广泛应用于声纳系，所以可广泛应用于声纳系统、大功率超声器件、精密控制系统、统、大功率超声器件、精密控制系统、各种阀门、驱动器等，是一种具有广阔各种阀门、驱动器等，是一种具有广阔发展前景的稀土功能材料。发展前景的稀土功能材料。二、磁致伸缩效应和机理二、磁致伸缩效应和机理1.线磁致伸缩：线磁致伸缩：当材料在磁化时，伴有晶当材料在磁化时，伴有晶格的自发的晶格变形，即沿着磁化方向生格的自发的晶格变形，即沿着磁化方向生长或缩短，称为线磁致伸缩。变化的数量长或缩短，称为线磁致伸缩

11、。变化的数量级为级为106105.当磁体发生线磁致伸缩当磁体发生线磁致伸缩时，体积几乎不变，而只改变磁体的外形。时，体积几乎不变，而只改变磁体的外形。在磁化未达到饱和状态时，主要是磁体长在磁化未达到饱和状态时，主要是磁体长度变化产生线磁致伸缩。度变化产生线磁致伸缩。线线性磁致伸性磁致伸缩缩系数系数2.体积磁致伸缩：体积磁致伸缩：当材料在磁化状态改变时，体积发生膨当材料在磁化状态改变时，体积发生膨胀或收缩的现象。饱和磁化以后，主要胀或收缩的现象。饱和磁化以后，主要是体积变化产生体积磁致伸缩。（一般是体积变化产生体积磁致伸缩。（一般磁体中体积磁致伸缩很小，实际用途也磁体中体积磁致伸缩很小，实际用途

12、也很少，在测量和研究中，所以一般磁致很少，在测量和研究中，所以一般磁致伸缩都指的是线磁致伸缩）。伸缩都指的是线磁致伸缩）。正负磁致伸缩：正负磁致伸缩：当未加外加磁场时，磁畴的磁化方向当未加外加磁场时，磁畴的磁化方向是随机的；加上外磁场后，通过畴壁的运是随机的；加上外磁场后，通过畴壁的运动和磁化方向的转动，最终大量的磁畴的动和磁化方向的转动，最终大量的磁畴的磁化方向将倾向平行于磁场。磁化方向将倾向平行于磁场。如果畴内磁化强度方向是自发形成的长轴，如果畴内磁化强度方向是自发形成的长轴，则材料在外场方向将伸长，这时正磁致伸则材料在外场方向将伸长，这时正磁致伸缩。缩。如果磁化强度方向是自发形变的短轴，

13、则如果磁化强度方向是自发形变的短轴，则材料在外场方向将缩短，这是负磁致伸缩。材料在外场方向将缩短，这是负磁致伸缩。磁致伸缩机理磁致伸缩机理 当材料的磁化状态发生改变时，其自当材料的磁化状态发生改变时，其自身的形状和体积要发生变化，以使总能量身的形状和体积要发生变化，以使总能量达到最小。达到最小。磁致伸缩一般起源于下列集中作用：磁致伸缩一般起源于下列集中作用：（1）当材料的晶格发生畸变时，其交换）当材料的晶格发生畸变时，其交换能也随之变化，晶格的排列总是选择一种能也随之变化，晶格的排列总是选择一种能量最低的位置。这种晶格畸变可以是各能量最低的位置。这种晶格畸变可以是各向同性的，也可以是各向异性的

14、。向同性的，也可以是各向异性的。（2）原子的磁偶极距之间的相互作用也）原子的磁偶极距之间的相互作用也能引起磁致伸缩。（各向异性的）能引起磁致伸缩。（各向异性的）（3）由原子的轨道和晶场的相互作用及）由原子的轨道和晶场的相互作用及自旋轨道相互作用而引起的磁致伸缩。自旋轨道相互作用而引起的磁致伸缩。（各向异性）（大磁致伸缩的主要来源）（各向异性）（大磁致伸缩的主要来源）一般所说的磁致伸缩指的是场致形变，一般所说的磁致伸缩指的是场致形变，即当施加外磁场时，材料沿某一方向长度即当施加外磁场时，材料沿某一方向长度的变化。在铁磁或亚铁磁材料中，当温度的变化。在铁磁或亚铁磁材料中，当温度在材料居里点一下的温

15、度时，由于自发磁在材料居里点一下的温度时，由于自发磁化在材料的内部形成大量的磁畴。每个畴化在材料的内部形成大量的磁畴。每个畴内，由于上述的几种作用机制，晶格都发内，由于上述的几种作用机制，晶格都发生形变。生形变。稀土离子超磁致伸缩的来源稀土离子超磁致伸缩的来源 主要来源于未满的主要来源于未满的4f层电子，受外层层电子，受外层5s、5p和和6s电子的屏蔽。且稀土金属的电子的屏蔽。且稀土金属的原子间距比半径大原子间距比半径大1-2数量级。数量级。所以轨道与自旋耦合作用比稀土中心离子所以轨道与自旋耦合作用比稀土中心离子和周围配体离子所产生的晶体场的相互和周围配体离子所产生的晶体场的相互作用大作用大1

16、-2个数量级。个数量级。RE-GMM拥有大的拥有大的磁致伸缩系数：磁致伸缩系数：稀土离子的稀土离子的4f电子轨道具有强烈的电子轨道具有强烈的各向异性，当自发磁化后，各向异性，当自发磁化后，4f层电子云层电子云会在某一个或几个特定的方向能量达到会在某一个或几个特定的方向能量达到最低，从而引起晶格沿着这几个特定的最低，从而引起晶格沿着这几个特定的方向产生较大的畸变，这样当施加外磁方向产生较大的畸变，这样当施加外磁场时就产生了大的磁致伸缩。场时就产生了大的磁致伸缩。轨道角动量冻结轨道角动量冻结在晶场中的在晶场中的3d过渡金属的磁性离子的原子磁矩过渡金属的磁性离子的原子磁矩仅等于电子自旋磁矩，而电子的

17、轨道磁矩没有贡献。仅等于电子自旋磁矩，而电子的轨道磁矩没有贡献。此现象称为轨道角动量冻结。此现象称为轨道角动量冻结。轨道角动量冻结的物理机制：轨道角动量冻结的物理机制：过渡金属的过渡金属的3d电子轨道暴露在外面，受晶场的电子轨道暴露在外面，受晶场的控制。晶场的值为控制。晶场的值为102-104(cm-1)大于自旋大于自旋-轨道耦合轨道耦合能能(l)102(cm-1).晶场对电子轨道的作用是库仑相互作用，因而晶场对电子轨道的作用是库仑相互作用，因而对电子自旋不起作用。随着对电子自旋不起作用。随着3d电子的轨道能级在晶电子的轨道能级在晶场作用下劈裂，轨道角动量消失。场作用下劈裂，轨道角动量消失。对

18、开壳层分子（分子中含有不成对电子），对开壳层分子（分子中含有不成对电子），自旋磁矩肯定不为零，但是否具有轨道磁矩，即自旋磁矩肯定不为零，但是否具有轨道磁矩，即轨道是否轨道是否“冻结冻结”，要根据不同情况而定。徐光要根据不同情况而定。徐光宪教授根据量子化学的结论总结出轨道不宪教授根据量子化学的结论总结出轨道不“冻结冻结”（轨道磁矩有贡献）的三个条件：（轨道磁矩有贡献）的三个条件：（1）未成对）未成对电子占据的是简并轨道中的一个；（电子占据的是简并轨道中的一个；（2）在与该）在与该未成对电子占据轨道简并的诸轨道中，至少有一未成对电子占据轨道简并的诸轨道中，至少有一个没有与该未成对电子自旋平行的电子

19、占据；个没有与该未成对电子自旋平行的电子占据；（3）上述两个简并轨道可以通过绕某轴旋转适）上述两个简并轨道可以通过绕某轴旋转适当角度而彼此重跌。显然当角度而彼此重跌。显然“冻结冻结”的起码前提条件的起码前提条件是不成对电子占据简并分子轨道。是不成对电子占据简并分子轨道。三、稀土超磁致伸缩材料的结构三、稀土超磁致伸缩材料的结构Tb0.27Dy0.73Fe2-x（0 x 0.5）等典等典型稀土型稀土-铁三元系超磁致伸缩材料。铁三元系超磁致伸缩材料。磁性晶体的性能除了与晶体结构有关外，磁性晶体的性能除了与晶体结构有关外，还与晶体的微结构以及磁性体的磁畴结还与晶体的微结构以及磁性体的磁畴结构密切相关。

20、构密切相关。四、稀土超磁致伸缩材料的性能四、稀土超磁致伸缩材料的性能 磁致伸缩常数的测定通常采用应变什来磁致伸缩常数的测定通常采用应变什来进行。进行。硅钢片用硅钢片用 Fe FeSiSi台金的台金的100100 和和111111 与与成分间的关系图如后。成分间的关系图如后。100为正，为正，111为负。为负。随随Si含量的增加，其数值含量的增加，其数值变小。到质量分数变小。到质量分数wSi为为60%左右达到零。这一事左右达到零。这一事实对于制作磁致伸缩为零实对于制作磁致伸缩为零的的FeSi磁性材料是致关磁性材料是致关重要的。重要的。五、稀土超磁致伸缩材料的应用五、稀土超磁致伸缩材料的应用超磁致

21、伸缩材料的应用基础主要依据六个效应超磁致伸缩材料的应用基础主要依据六个效应1.Joule效应：效应：磁性体外加磁场时，其长度发生磁性体外加磁场时，其长度发生变化，可用来制作磁致伸缩制动器。变化，可用来制作磁致伸缩制动器。2.Villari效应：在一定磁场中，给磁体施加外力效应：在一定磁场中，给磁体施加外力作用，其磁化强度发生变化，即逆磁致伸缩现作用，其磁化强度发生变化，即逆磁致伸缩现象，可用于制作磁致伸缩传感器。象，可用于制作磁致伸缩传感器。3.AE效应：岁磁场变化，杨氏模量也发生效应：岁磁场变化，杨氏模量也发生变化。变化。4.Viedemann效应：在磁性体上形成适当效应：在磁性体上形成适当的磁路，有电流通过时，磁体发生扭曲变的磁路，有电流通过时，磁体发生扭曲变形。形。5.逆逆Viedemann效应：效应：使磁体发生机械扭使磁体发生机械扭曲，则在二次线圈中产生电流。曲，则在二次线圈中产生电流。6.Jump效应：效应：Tb系超磁致伸缩材料，外系超磁致伸缩材料，外加预应力时，磁致伸缩岁磁场而产生跃变加预应力时，磁致伸缩岁磁场而产生跃变式增加，磁化率也改变。式增加，磁化率也改变。