磁致伸縮是指物體在磁場中磁化時，在磁化方向會發生伸長或縮短，當通過線圈的電流變化或者是改變與磁體的距離時其尺寸即發生顯著變化的鐵磁性材料，通常稱為鐵磁致伸縮材料。其尺寸變化比目前的鐵氧體等磁致伸縮材料大得多，而且所產生的能量也大，則稱為超磁致伸縮材料。
基本介紹
- 中文名：磁致伸縮
- 外文名：magnetostriction
- 套用學科：物理
- 適用領域範圍：磁致伸縮現象
- 磁致伸縮材料：磁致伸縮的金屬與合金
- 作用源：外磁場
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磁致伸縮現象
另外有些物質（多數是金屬氧化物）在磁場作用下，其尺寸也伸長（或縮短），去掉外加磁場後又恢復其原來的尺寸，這種現象稱為磁致伸縮現象。磁致伸縮效應可用磁致伸縮係數（或應變）
來描述，
，
為原來的長度，
為物質在外磁場作用下伸長（或縮短）後的長度。一般鐵磁性物質的
很小，約百萬分之一，通常用 p pm代表。例如金屬鎳（Ni）的 約40ppm。
縱向磁致伸縮沿磁場方向的伸長和縮短。設在磁感應強度為B0的恆定磁場磁化下相對伸長為ε0=△l/l，則有ε0=aB0/2，式中常數a取決於材料性質。設磁化外磁場為恆定磁場B0和交變磁場B的疊加，而且B<<B0，可以導出相對伸長為ε=βB，式中常數β取決於材料性質及B0，β稱為磁致伸縮應變恆量。若用機械方法使材料兩端固定，不允許其伸長，則材料內產生的應力為σ=rβ，r為磁致伸縮應力恆量，且r=C11×β，式中C11表示縱向彈性模量。
橫向磁致伸縮與磁場垂直方向的伸長和縮短。產生縱向磁致伸縮的同時，常伴隨著較小的橫向伸縮。
磁致伸縮扭轉利用磁致伸縮效應可以產生扭轉振動。其方法是使圓柱形材料產生縱向磁致伸縮的同時，再加上圍繞圓柱軸線的環形交變磁場。
磁致伸縮材料
自從發現物質的磁致伸縮效應後，人們就一直想利用這一物理效應來製造有用的功能器件與設備。為此人們研究和發展了一系列磁致伸縮材料，主要有三大類：即：磁致伸縮的金屬與合金，如鎳（Ni）基合金（Ni， Ni－Co合金， Ni－Co－Cr合金）和鐵基合金（如 Fe－Ni合金， Fe－Al合金， Fe－ Co－V合金等）和鐵氧體磁致伸縮材料，如 N i－Co和 Ni－Co－Cu鐵氧體材料等。這兩種稱為傳統磁致伸縮材料，其λ值（在20—80ppm之間）過小，它們沒有得到推廣套用，後來人們發現了電致伸縮材料，如（ Pb， Zr，Ti）C03材料，（簡稱為 P ZT或稱壓電陶瓷材料），其電致伸縮係數比金屬與合金的大約200~400ppm，它很快得到廣泛套用；第三大類是近期發展的稀土金屬間化合物磁致伸縮材料，例如以（ Tb，Dy）Fe2化合物為基體的合金
Tbo0.3Dy0.7Fe1.95材料（下面簡稱 T b－Dy— Fe材料）的λ達到1500~2000ppm，比前兩類材料的λ大1~2個數量級，因此稱為稀土超磁致伸縮材料。
和傳統超磁致伸縮材料及壓電陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸縮材料是佼佼者，它具有下列優點：磁致伸縮應變λ比純 N i大50倍，比PZT材料大5—25倍，比純 N i和 Ni－Co合金高400~800倍；磁致伸縮應變時產生的推力很大，直徑約l0mm的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸縮時產生約200公斤的推力。能量轉換效率（用機電耦合係數 K33表示）高達70%，而 Ni基合金僅有16%，PZT材料僅有40~60%；其彈性模量隨磁場而變化，可調控；回響時間（由施加磁場到產生相應的應變λ所需的時間稱回響時間）僅百萬分之一秒，比人的思維還快；頻率特性好，可在低頻率（幾十至1000赫茲）下工作，工作頻頻寬；穩定性好，可靠性高，其磁致伸縮性能不隨時間而變化，無疲勞，無過熱失效問題。
套用前景
由於磁致伸縮材料在磁場作用下，其長度發生變化，可發生位移而做功或在交變磁場作用可發生反覆伸張與縮短，從而產生振動或聲波，這種材料可將電磁能（或電磁信息）轉換成機械能或聲能（或機械位移信息或聲信息），相反也可以將機械能（或機械位移與信息）。轉換成電磁能（或電磁信息），它是重要的能量與信息轉換功能材料。它在聲納的水聲換能器技術，電聲換能器技術、海洋探測與開發技術、微位移驅動、減振與防振、減噪與防噪系統、智慧型機翼、機器人、自動化技術、燃油噴射技術、閥門、泵、波動採油等高技術領域有廣泛的套用前景。
稀土超磁致伸縮材料在聲頻和超聲技術方面也有廣闊的套用前景。例如用該材料可製造超大功率超聲換能器。過去的超聲換能器主要是用壓電陶瓷（PZT）材料來製造。它僅能製造小功率（≤2．0kW）的超音波換能器，國外已用稀土超磁致伸縮材料來製造出超大功率（6—25kW）的超音波換能器。超大功率超音波技術可產生低功率超聲技術所不能產生的新物理效應和新的用途，如它可使廢舊輪胎脫硫再生，可使農作物大幅度增產，可加速化工過程的化學反應。有重大的經濟、社會和環保效益；用該材料製造的電聲換能器，可用於波動採油，可提高油井的產油量達20%~100%，可促進石油工業的發展；用該材料製造的薄型（平板型）喇叭，振動力大，音質好，高保真，可使樓板、牆體、桌面、玻璃窗振動和發音，可作水下音樂、水下芭蕾伴舞的喇叭等。
此外，用該材料可製造反噪聲與噪聲控制，反振動與振動控制系統。將一個咖啡杯人力反噪聲控制器安裝在與引擎推進器相連線的部件內，使它與噪聲感測器聯接，可使運載工具的噪聲降低到使旅客感到舒服的程度（≤20dB）以下。反振動與減振器套用到運載工具，如汽車等，可使汽車振動減少到令人舒服的程度。
用稀土超磁致伸縮材料製造的微位移驅動器，可用於機器人、自動控制、超精密機械加工、紅外線、電子束、雷射束掃描控制、照相機快門、線性電機、智慧型機翼、燃油噴射系統、微型泵、閥門、感測器等等。
有專家認為，稀土超磁致伸縮材料的套用可誘發一系列的新技術，新設備，新工藝。它是可提高一個國家競爭力的材料，是21世紀戰略性功能材料。
