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编辑摘要
摘要
1Magnetostrictio…
2现象
4特点
5技术上的应用
6成果
编辑本段Magnetostriction
磁化强度变化引起的保温玻璃膜磁性材料的张力变化。磁化强度(磁化力或剩磁)与外加应力之间的关系称为逆磁致伸缩或压磁性。磁致伸缩声源和水中检波器都非常坚固。把电线绕在圆柱形磁致伸缩材料外面，就构成了磁致伸缩水中检波器。
当径向
起作用的压力波在线圈内引起箍应力时，其磁导率
就发生变化，从而导致与绕在外面的线圈耦合的磁通量
发生变化。磁通量的变化产生出一个与压力波信号变形成正比的电压。 强磁体在磁化状态下，其体积和形状发生的变化。体伸缩指体积的相对变化ΔV/V，线伸缩指长度的相对变化Δl/l。强磁体自发磁化时，由于磁性原子间的相互作用
，点阵发生自发畸变，磁畴
发生自发形变，称为自发磁致伸缩，包括自发的体磁致伸缩及线伸缩。前者主要来源于交换作用，后者与磁晶各向异性
密切相关。强磁体受到外磁场磁化时，由于磁畴结构的变化和相应的磁畴自发形变的变化，出现了整个物体的线磁致伸缩（简称磁致伸 缩）。由强磁体交变磁化状态引起交变磁致伸缩或其逆效应导致磁声效应，已用于超声换能器等技术中。磁致伸缩与技术磁化性能有密切关系。在单晶体中磁致伸缩是各向异性的。例如在立方晶体中，若饱和(或自发)磁化强度Ms及线伸缩测量方向L 相对于立方晶轴的方向余弦分别为(α1,α2,α3)及(β1,β2,β3)，则线磁致伸缩可表示为
式中λ100及λ111分别为MS 及l均沿【100】及【111】轴时的线磁致伸缩。磁致伸缩的逆效应为应力及应变对磁化的影响。它们统称为磁弹（性）效应。磁弹（性）效应也存在于反铁磁性体中，它是磁有序（序磁性）物质一种共性。
所谓磁致伸缩是铁磁物质(磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。
编辑本段现象
大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。另外有些物质（多数是金属氧化物）在电场作用下，其尺寸也伸长（或缩短），去掉外磁场后又恢复其原来的尺寸，这种现象称为电致伸缩现象。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）λ来描述，λ＝（lH—lo）／lo， lo为原来的长度，1 H为物质在外磁场作用下伸长（或缩短）后的长度。一般铁磁性物质的λ很小，约百万分之一，通常用 p pm代表。例如金属镍（Ni）的λ约40ppm。
编辑本段材料
自从发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能器件与设备。为此人们研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主要有三大类：即：磁致伸缩的金属与合金，如镍和金煤（Ni）基合金（Ni， Ni－Co合金， Ni－Co－Cr合金）和铁基合金（如 F e－Ni合金， Fe－Al合金， Fe－ Co－V合金等）和铁氧体磁致伸缩材料，如 N i－Co和 Ni－Co－Cu铁氧体材料等。这两种称为传统磁致伸缩材料，其λ值（在20—80ppm之间）过小，它们没有得到推广应用，后来人们发现了电致伸缩材料，如（ Pb， Zr，Ti）
C03材料，（简称为 P ZT或称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约200~400ppm，它很快得到广泛应用；第三大类是近期发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料，例如以（ Tb，Dy）Fe
放血槽2化合物为基体的合金
apm监控系统Tbo0．3Dy0．7Fe1．95材料（下面简称 T b－Dy— Fe材料）的λ达到1500~2000ppm，比前两类材料的λ大1~2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。
编辑本段特点吊车轨
和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸缩材料是佼佼者，它具有下列优点：磁致伸缩应变λ比纯 N i大50倍，比PZT材料大5—25倍，比纯 N i和 Ni－Co合金高400~800倍，比PZT材料高14~30倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约 l0mm的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力：能量转换效率（用机电耦合系数 K33表示）高达70％，而 Ni基合金仅有16％，PZT材料仅有40~60％；其弹性模量随磁场而变化，可调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时
间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。
编辑本段技术上的应用
由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移与信息）。转换成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转换功能材料。它在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。
海洋占地球面积的70％，海洋是人类生命的源泉，但是人类对海洋的大部分还缺乏了解。21世纪是海洋世纪，人类的生活、科学实验和资源的获及将逐渐的从山陆地转移到海洋。而舰艇水下移动通讯、海水温度、海流、海底地形地貌的探测就需要声纳系统。声纳是一
个庞大的系统，它包括声发射系统，反射声的接收系统，将回声信息转变成电信息与图像，以及图像识别系统等。其中声发射系统中的水声发射换能器及其材料是关键技术之一。过去声纳的水声发射换能器主要用压电陶瓷材料（PZT）来制造。这种材料制造的水声换能器的频率高（20kHz以上），同时发射功率小，体积大，笨重。另外随舰艇隐身技术的发展，现代舰艇可吸收频率在3．0kHz以上的声波，起到隐身的作用。各工业发达国家都正在大力发展低频（频率为几十至2000赫兹），大功率（声源级约220dB）的声纳用或水声对抗用发射水声换能器，并已用于装备海军。低频可打破敌方舰艇的隐身技术，大功率可探测更远距离的目标，同时体积小，重量轻，可提高舰艇的作战能力。低频大功率是声纳用和水声对抗用发射水声换能器今后的发展方向。而制造低频大功率水声发射换能器的关键材料是稀土超磁致伸缩材料。发展稀土超磁致伸缩材料对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断层分析系统 O AT （Ocean Acoustic Topography）和海洋气候声学温度测量系统 A TOC （The Acoustic Thermometry of Ocean climate）的水声发射换能器，其信号可发射到1000km的范围，可用于测量海水温度和海流的分布图。
稀土超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景。例如用该材料可制造超
大功率超声换能器。过去的超声换能器主要是用压电陶瓷（PZT）材料来制造。它仅能制造小功率（≤2．0kW）的超声波换能器，国外已用稀土超磁致伸缩材料来制造出超大功率（6—25kW）的超声波换能器。超大功率超声波技术可产生低功率超声技术所不能产生的新物理效应和新的用途，如它可使废旧轮胎脱硫再生，可使农作物大幅度增产，可加速化工过程的化学反应。有重大的经济、社会和环保效益；用该材料制造的电声换能器，可用于波动采油，可提高煤矿井下定位设备油井的产油量达20％~100％，可促进石油工业的发展；用该材料制造的薄型（平板型）喇叭，振动力大，音质好，高保真，可使楼板、墙体、桌面、玻璃窗振动和发音，可作水下音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。
此外，用该材料可制造反噪声与噪声控制，反振动与振动控制系统。将一个咖啡杯人力反噪声控制器安装在与引擎推进器相连接的部件内，使它与噪声传感器联接，可使运载工具的噪声降低到使旅客感到舒服的程度（≤20dB）以下。反振动与减振器应用到运载工具，如汽车等，可使汽车振动减少到令人舒服的程度。贴片共模电感
用稀土超磁致伸缩材料制造的微位移驱动器，可用于机器人、自动控制、超精密机械加工、红外线、电子束、激光束扫描控制、照相机快门、线性电机、智能机翼、燃油喷射系统、微型泵、阀门、传感器等等。
有专家认为，稀土超磁致伸缩材料的应用可诱发一系列的新技术，新设备，新工艺。它是可提高一个国家竞争力的材料，是21世纪战略性功能材料。
编辑本段成果
北京科技大学自20世纪80年代末开始对稀土超磁致伸缩材料进行研究。经过近十年的研究，现已掌握了材料的成分、添加元素、制造工艺、热处理等关键技术。特别是我们自己发明创造的生产＜110＞轴向取向材料的技术，使制造的产品在低磁场下具有高的磁致伸缩性能，在40kA ／m的磁场下，应变值达到950~1150ppm，达到国际先进水平，（目前其它研究和生产单位都是制造＜112＞轴向取向的棒材）。这种具有＜110＞轴向取向的稀土超磁致伸缩材料及制造工艺已获得国家专利。1999年12月15日由教育部组织的专家委员会对该课题“新型低场高性能＜110＞轴向取向稀土超磁致伸缩材料的研制”进行了鉴定。鉴定意见认为：该课题所研制的＜110＞轴向取向稀土超磁致伸缩材料具有优良的低场性能，在80kA／m磁场下的磁致伸缩应变值达到1200~1500ppm，居国际先进水平。＜110＞轴向取问稀土超磁致伸缩材料的研制在国内外具有重大创新性。
该材料在军、民两用高技术领域有广阔的应用前景，据国外专家预测，该材料的发展与 N
dFeB的发展极为相似，预计到2010年的销售额可以达到18亿美元。
参考资料：
1、Magnetostriction and Magnetostrictive Materials - Magnetostrictive Composites - Active Material Laboratory
2、（美）Robert E.Sheriff编，黄绪德、吴晖译《勘探地球物理百科词典》，地质出版社，1990
3、A. P. Cracknell, Magnetism in Crystalline Materials,Pergamon Press, Oxford, 1975
磁致伸缩液位计的设计是基于一些金属（如镍铁合金）在相交磁场的作用下，具有磁致伸缩的特点，即韦德曼效应。测量时，传感器探头在磁致伸缩材料制成的波导线一端发出一个起始脉冲，将形成一个与波导线垂直的磁场，磁场以光速随脉冲电流沿波导线传播，磁致伸缩液位计磁场遇到套在波导线外的磁环所产生的磁场时，产生相交磁场。在相交磁场的作用下波导线产生瞬时张力，使波导线扭动并产生扭动波，这个扭动波(波速约为音速)沿波导线运行，当回传至传感器探头时，产生逆磁致伸缩现象，在传感器探头形成一个返回脉冲。发射起始脉冲到接收返回脉冲的时间差与磁环位置相关，变送器将时间差信号（即磁环位置）转换为标准电流或电压信号输出，磁致伸缩液位计主要包括传感器部分及变送器部分。传感器主要由不锈钢导杆、磁致伸缩线（波导线-在相交磁场作用下，具有伸缩特性的材料）、可移动磁环（内含永磁体）及电子仓等构成。传感器部分将物理信号转变为相对应的电信号，变送器部分再将电信号变送为标准模拟量信号输出。磁致伸缩现象是指在铁磁质中磁化方向的改变会导致介质晶格间距的变化，因而使得铁磁质的长度和体积发生变化。也称为威德曼效应，其逆效应为维拉里效应。但并非所有铁磁物质都具有应用价值，只有一些具有很高磁致伸缩性能的新材料才具有实际应用价值。磁翻板液位计的原理（位移传感器）：利用两个不同磁场相交时产生的应变脉冲信号被检测到的时间来计算出磁场相交点的准确位置。一个磁场来自传感器电子仓的电子部件所产生的脉冲激励，www.sanhezikong该激励脉冲产生的磁场沿着传感器测杆内用高磁致伸缩材料制成的波导丝以光速自电子仓端向尾端前进，当与活动的永久磁场（该永磁铁一般安装在需要检测位置的动板上）相交时，由于磁致伸缩现象，波导丝在相交点产生一个机械应变脉冲，并以声速从此点经波导丝向电子仓端回传，该应变脉冲被电子仓中的检测电路探测到。因此，从发射一个主动脉冲波到接收到一个应变脉冲波，这之间的时间就是声速在波导丝中传递的时间（此处已忽略了主动波运行的时间，实际影响只有0.0001%），已知声速（固定量为3000m/s）和传递时间，这一距离就当然确定了。当永磁铁运动至新的位置时，重新确定上述测量。磁致伸缩液位计的特点磁致伸缩位移传感器具有高精度、高响应、低迟滞、高可靠性、非接触、寿命长、稳定性高、安装方便等优点，无须重新标定，无须定期维护，因而被精确测量领域广泛采用。液位计电子头中的脉冲发生器首先在磁致伸缩波导丝上施加一个电脉部信号，此电脉部同时伴随一个环型磁场，以光速沿磁致伸缩波导丝向下传递。当该环开磁场遇到浮子中磁铁产生的纵向磁场时，将与之进行矢量叠加，形成一个螺旋形的磁场。根据维德曼效应，当磁致伸缩材料本身的物理尺寸也会路着发生变化。因此，当合成磁场发生变化形成螺旋形磁场时，磁致伸缩波导丝会产生沿螺旋形磁场的伸缩变形，导致波导丝产生扭曲变形，从而激发扭转波（或返回脉冲）。磁致伸缩液位计扭转波沿波导丝以超声波的形式回传到传感头中的感应线圈时，将转换成横向应力。根据维拉里效应，磁致伸缩材料发生物理变形时，会在磁致伸缩材料内引起磁场强度的变化，因此，通过传感器线圈的磁通将发生变化，在传感器线圈两端将产生一个可以被检测到的感应电动势。超声扭转波的传播速度为一常数（2838m/s左右）。因此，从发射电流脉冲的一刻到检测到感应电动势的时间差乘以这个固定速度，便能精确地算出磁铁（浮子）的位置。 www.sanhezikong |
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