磁致伸縮合金

磁致伸縮合金

飽和磁致伸縮係數較大的合金一般稱為磁致伸縮合金或高磁致伸縮合金，主要有鐵鎳合金、鐵鋁合金和稀土鐵合金等。磁致伸縮合金可製成超音波發生器和接收器，以及力、速度、加速度的感測器，濾波器、穩頻器和磁聲存儲器。

基本介紹

  • 中文名：磁致伸縮合金
  • 外文名：Magnetostrictive alloy
  • 學科：材料科學
  • 定義：飽和磁致伸縮係數較大的合金
  • 套用：製造換能器
  • 實例：4Co-1.7Si-Ni合金
介紹,分類,特性,套用情況,

介紹

磁性合金隨磁化過程將發生不同程度的線性變化，亦即具有不同的磁致伸縮係數λ值，磁化到飽和時的磁致 伸縮係數稱為飽和磁致伸縮係數λs，通常將λs≥20 ×10-6的合金稱為磁致伸縮合金，亦稱高磁致伸縮合金。包括純鎳、鎳合金（如4Co-1.7Si-Ni、2Co- 24Cr-Ni、5Co-Ni合金等）、8%～14%Al-Fe合金（如 含13%Al，余為Fe的1J13合金）、35%～70%Co-Fe 合金（如含2%V、49%Co、余為Fe的1J22、65Co-Fe 等合金）和50%Ni-Fe合金（1J50）等。這類合金除 了需有高的磁致伸縮係數外，還需具有高的電機械 耦合係數km和高的電阻率ρ，由於以片材狀態使 用，合金應有良好的加工性能。這類合金主要用於 音頻或超音頻聲波發生器、流體聲學裝置、電機械濾 波器和阻擋器線路中的磁致伸縮變流器等。

分類

磁致伸縮合金可分為常見的磁致伸縮合金、稀土鐵超磁致伸縮合金及過渡族金屬-類金屬非晶態高磁致伸縮合金。
（1）常見的磁致伸縮合金。主要有鐵鈷系合金、鐵鋁系合金、鎳鈷鉻合金等，此外純金屬鎳也具有高磁致伸縮特性。
（2）相的具有極高λs值的合金，又稱超磁致伸縮合金。自從20世紀70年代初發現該合金以來，立即受到人們的極大重視。純二元的RFe2化合物雖然有很高的λs值，但它們的磁晶各向異性常數K1也非常大，如TbFe2的λs=1750×10，K1=-7600×10J/m;而純鎳的K1=-5×10J/m。因此，要達到飽和磁致伸縮值所需的外磁場（即偏置磁場）就要很大。為此研製了一系列三元（贗二元）RxR′1-xFe合金，如TbxDy1-xFe2、HoxDy1-xFe2等，其中以Tb0.27Dy0.73Fe2合金的λs最大，K33也高，所以一直是發展的主要材料。美國和瑞典及英國都已生產和套用，在美國稱為Terfernol-D，其特性列在表中。製備Terfernol-D常用浮區法（懸浮區熔法）。即把先經過電弧爐熔煉後又經感應爐熔煉然後在石英管中冷卻凝固的Tb0.27Dy0.73Fe2母合金，表面清洗後放入一個垂直懸浮的區域熔煉裝置中，用感應圈從下至上地將其熔化，熔化按恆定速度進行，最後得到成分均勻的單晶棒或者一根定向結晶的多晶棒。定向棒一般要經過退火處理，以消除內應力，此後才能套用。
（3）鐵基非晶態磁性合金。它具有高的λs值，例如Fe80B15Si5、Fe80P13C7和Fe66Co12Si18B14非晶態合金的λs值分別為30×10、31×10和36×10。Fe78Si12B10非晶態合金的K值可達0.68。

特性

性 能
Terfenol-D（美國）
純鎳
Hiperco（美國）
Permendur（美國）
Alfer（日本）
HHKocH（俄國）
фекоси（俄國）
鎳鈷鉻（美國）
化學成分/%
Tb0.27Dy0.73Fe2
Ni>98
Cr：0.4～0.5
Co：34.5～35.5
Fe：余
Co：49～51
V：2
Fe：余
Al：12～14
Fe：余
Co：3.5～4.5
Si：1.3～2.0
Ni：余
Co：2
Cr：24
Fe：余
Co：1.4
Cr：2.3
Ni：余
密度（D）/kg·m-3
彈性模量YH/Pa
YB/Pa
9.25×103
2.56×1010
5.50×1010
8.9×103
2.06×1010
8.1×103
20.6×1010
8.2×103
18×1010
6.7×103
17×1010
8.3×103
19×1010
8.3×103
19×1010
8.4×103
21×1010
聲速（CH）/m·s-1（CB）/m·s-1
1690
2450
4900
720
4520
4280
4850
拉伸強度Pt/Pa
壓縮強度Pc/Pa
H=0時的線脹
係數（α）/℃-1
28×106
700×106
12×10-6
314×106
12.9×10-6
12.6×10-6
490×106
10.1×10-6
780×106
14.8×10-6
411×106
≈480×106
≈480×106
熱導率/W·m-1·K-1
59
電阻率（ρe）/Ω·m
居里溫度（Tc）/℃
60×10-6
387
6.7×10-8
354
23×10-8
1115
3.4×10-8
960
10×10-8
500
1.8×10-8
350
4.6×10-8
4.0×10-8
410
磁致伸縮係數
1500～2000）
×10-6
-40×
10-6
40×10-6
60～80）
×10-6
30～40）
×10-6
≈-31
×10-6
≈27
×10-6
≈25
×10-6
機電耦合因子（K33）m·A-1
d常數（d33）
0.72
1.7×10-9
0.16～0.25
0.17
0.48
0.25
0.49
0.48
磁導率（μTr）（μSr）
9.3
4.5
60
7.5
200
200
≈200
180
比聲阻抗（ρHc）雷耳（Rayl）（ρBc）Rayl
1.57×107
2.27×107
能量密度J·m-3
14～25×103
30
偏置磁場kA·m-1
32～40
0.8～1.6
1.2～1.6
0.8
0.4
註：1.雷耳（Rayl）=聲壓（dyn·cm-2）/聲粒子速度（cm·s-1）;
2.性能符號中右上角指標含義為：H為磁場強度，開路狀態時H=0;B為磁通量密度，短路時B=0;T為機械應力，自由試樣時T=0;S為機械應變，夾緊的試樣S=0;
3.K33為與形狀無關的磁彈性耦合係數，表示能夠轉換成機械能的磁場能量的分數，也稱機電耦合因子;d33反映了磁致伸縮值對磁場的敏感程度。

套用情況

磁致伸縮合金主要用於製造換能器，套用領域有水下聲納系統、勘測裝置、燃料注入系統、閥門系統、有源振動、超音波發射和接收、油井勘測、地震預報、感測器、振動阻尼器、濾波器、機器人和超高電壓迴路中斷路系統，雷射器調整，微距離控制等。

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