先进材料基础.docx

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1、【先进材料基础　　《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　　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。在此伸展过

2、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。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。

3、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

4、。-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

5、电阻率较低，涡流损耗较大。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。此外还有铁钴合金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

6、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，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效应和高磁导率等，是优良的电声换能材料。　　四氧化三铁系统

7、材料：这是在四氧化三铁中添加了少量的氧化钴、氧化硅和　　氧化钛，从而可以消除四氧化三铁磁性能上的各向异性，控制它的低电阻抗值。　　获得较高的磁致伸缩性能，可用到高压力和变温度的苛刻工作环境中去。　　磁致伸缩材料的制备　　磁致伸缩材料的制备方法主要是定向凝固法和粉末冶金法。　　定向凝固法　　定向凝固法的目的是在一次相变成型过程中控制合金样品的宏观晶体取向　　和凝固组织结构以提高其磁致伸缩性能。在理想情况下,希望样品的轴向为　　111>晶向,但实际上合金自身的特性及凝固方法的特点决定了获得理想凝固组　　织是非常困难的。定向凝固法又包括丘克拉斯基法、

8、布里奇曼法和区熔法。　　丘克拉斯基法,是将一小籽晶在旋转的同时从母合金熔液中以一定速度向上　　提拉,以这个小籽晶为基底,发生晶粒长大,长大方式为平面长