磁致伸縮現象

鐵磁晶體和亞鐵磁晶體在外磁場中被磁化時，長度尺寸及體積大小均要發生微小的變化，而去掉外磁場後，又恢復原來長度或體積。這種現象稱為磁致伸縮現象。

基本介紹

• 中文名：磁致伸縮現象
• 外文名：magnetostriction phenomena
• 現象：經磁化其尺寸、形狀會發生變化
• 類別：磁致伸縮

磁致伸縮現象簡介

磁致伸縮現象是焦耳在1842年發現的，所以又被稱為焦耳效應。磁致伸縮現象有三種表現形式：①沿著外磁場方向尺寸大小的相對變化，稱為縱向磁致伸縮；②垂直於外磁場方向尺寸大小的相對變化，稱為橫向磁致伸縮；③材料體積大小的相對變化，稱為體積磁致伸縮。縱向或橫向磁致伸縮又統稱為線性磁致伸縮，具體表現為鐵磁體在磁化過程中具有線度的伸長或縮短，橫向和體積磁致伸縮工程套用不多見。磁致伸縮的大小用材料的相對伸長量λ來表示：

λ=

式中，Δl-材料長度變化量；

L-材料的整體長度。

λ的符號為正，表明隨著磁場的增強，材料的長度變化是伸長的，稱為正磁致伸縮；反之，λ的符號為負，表明隨著磁場的增強，材料的長度變化是縮短的，稱為負磁致伸縮。飽和時的磁致伸縮係數稱為飽和磁致伸縮係數，記為“λ_s”。

超磁致伸縮現象與傳統的磁致伸縮現象有一定的聯繫。磁致伸縮是由物質中原子或離子的自旋與軌道的耦合作用而產生的，是滿足能量最小條件的必然結果。磁致伸縮效應是由於自旋與軌道耦合能和物質的彈性能趨近平衡過程的外在表現。

一般認為，磁致伸縮現象的產生乃是由於鐵磁或亞鐵磁材料在居里點以下發生自發磁化，形成大量的磁疇。在每個磁疇內，原子的磁矩有序排列，引起晶格發生形變，其磁化強度的方向是自發形變的一個主軸。在未加外磁場時，磁疇的磁化方向是隨機取向的，無巨觀效應。在外磁場中，磁疇的磁化方向趨向外磁場。通過磁彈性耦合，材料在磁化方向上將出現一個彈性變化。飽和時，整個材料就象一個大磁疇。若磁疇磁化強度方向是自發變形的長軸，則材料在外磁場方向將伸長；若磁疇磁化強度方向是自發變形的短軸，則材料在外磁場的方向將縮短。前者謂之正磁致伸縮，如Fe等；後者謂之負磁致伸縮，如Ni等。

磁致伸縮是相當複雜的現象，從自由能極小的觀點來看，磁性材料的磁化狀態發生變化時，其自身的形狀和體積都要改變，因為只有這樣才能使系統的總能量最小。具體來說，導致單疇鐵磁體的形狀和體積改變主要有以下三個原因：自發形變（自發的磁致伸縮）、形狀效應、場致形變（磁致伸縮）。

由於磁致伸縮是磁性材料的內稟特性，不會隨時間退化，如同某些壓電材料。而且磁致伸縮材料的應變、壓力、能量密度和耦合係數等特性和基於壓電材料上的換能器技術相比，更具優勢。但許多設計和建模的問題防礙了磁致伸縮材料的套用。如需要螺線管和相關磁場組件，磁致伸縮換能器通常比採用壓電或電致材料的體積更大，故磁致伸縮材料的首選用於重型結構。

磁致伸縮材料發展

自從發現磁致伸縮現象以來，人們對磁致伸縮材料的研究一直沒有停止。並且於20世紀中期發現了鎳（Ni）和鈷（Co）等金屬、鐵氧體材料及Fe-13%Al合金均有磁致伸縮性能。但這些材料的磁致伸縮都是10^-6~10^-5的量級，與其線膨脹係數相近，故其套用的範圍受到了限制，僅用於超聲換能器領域。因而，人們期望能夠研製出性能優異的大磁致伸縮材料。

一般而言，實用的超磁致伸縮材料應具有以下三個特點：①含有大量的稀土離子，這是獲得超磁致伸縮的首要條件；②稀土離子參與的交換作用要遠大於熱運動能，以保證有較高的居里溫度；③材料應具有不止一個易磁化方向，磁化時疇壁移動過程可以對磁致伸縮值有貢獻，並且材料要有小的磁晶各向異性，使得達到飽和磁化所需要的外磁場不很高。

20世紀60年代中期，Clark、IJBg,vold等人發現中重稀土金屬鋱（JIb）和鏑（Dy）在0K附近的磁致伸縮達10^-3的量級，而鏑（Dy）的單晶的磁致伸縮更是接近了10^-2的量級。比3d金屬的典型值大100~1000倍，但是，這樣大的磁致伸縮只在極低的溫度下才能出現，使得稀土金屬無法在室溫下套用。研究發現稀土金屬的居里溫度低於室溫，在室溫下它們為順磁狀態，線磁致伸縮效應消失。針對這一問題，1969年，Culen提出稀土一過渡金屬形成的化合物將具有較高的居里溫度的預測，該想法在1971年得到了驗證。Koon、Clark等分別指出REFe₂（RE為稀土元素）型化合物在室溫下有較大的磁致伸縮。REFe₂是具有立方MgCu₂結構的Laves相化合物。其不僅低溫磁致伸縮很大，室溫磁致伸縮也保持較大，而且居里溫度較高。故被稱為稀土超磁致伸縮材料（Rare Earth Giant Magneto—Strictive Materials，簡稱為RE-GMM或CMM）。然而，REFe₂磁晶各向異性過大。磁晶各向異性常數K₁和K₂的絕對值都在10⁶J/m³的數量級。磁晶各向異性能在磁致伸縮材料中起了很重要的作用。一方面，如果不存在磁晶各向異性，就不會有線性磁致伸縮；另一方面，這種各向異性阻礙了疇內磁化方向的轉動，使飽和磁化變得困難。REFe₂如此大的磁晶各向異性常數，就使得達到材料的飽和磁化狀態所需的外磁場相當高，給實用帶來了困難。1972年，Clark等人根據對REFe₂型化合物磁晶各向異性的研究結果，用磁致伸縮符號相同，而磁晶各向性符號相反的稀土元素與鐵形成贗二元化合物RE₁-xRE’xFe₂。這樣大大降低了磁晶各向異性常數，從而降低了飽和磁化所需的外場，同時又發現這種材料有很大的磁致伸縮。

稀土超磁致伸縮材料的出現，以其優異的性能，迅速引起了全世界學者的濃厚的興趣。科研人員對這一新型材料作了大量的實驗研究，各國政府也投入大量資金予以支持，使得這種材料在近一二十年得到了迅猛的發展。美國前沿技術（Ease Technologies）公司1989年開始生產稀土大磁致伸縮材料，其商品牌號為Terfenol-D；隨後瑞典Feredyn AB公司也生產銷售稀土大磁致伸縮材料，產品牌號為Magmek 86；近10多年來，日本、俄羅斯、英國和澳大利亞等也相繼研究開發出TbDyFe：型磁致伸縮材料，並有少量產品銷售。近幾年來，國外研製了近千種套用器件，批准的美國專利已超過一百件。我國幾個重要研究單位於20世紀90年代前後開始

研究TbDyFe晶體磁致伸縮材料，如中科院物理所、金屬所、北京有色金屬研究總院、鋼鐵研究總院、包頭稀土院、北京科技大學等，雖然實驗室研究達到了較高水平，但目前都沒有實現規模生產。近幾年來，稀土超磁致伸縮材料的套用研究在國內也得到了重視，在聲納、精密機械、高速閥門、航空航天等方面套用取得了一些進展。有關磁致伸縮材料的製備工藝、磁致伸縮理論和新材料探索仍是近年來十分活躍的研究課題。

磁致伸縮材料特性

磁各向異性

下表列出了主要磁致伸縮材料的性能。

磁晶各向異性能和磁致伸縮具有緊密聯繫，如果各向異性與應變無關，則不存在磁致伸縮效應。具有正磁致伸縮的材料在中等壓力下表現增強的磁致伸縮效應。太小或太大的壓力減小磁致伸縮。對具有負磁致伸縮係數的材料，如鎳，作用相反，拉應力可以增強磁致伸縮效應。另外，受壓情況下，如果與受壓方向垂直的磁矩取向增加，則去磁化軸的長度減少至最小，飽和磁致伸縮增至最大。

磁致伸縮材料性能

磁疇運動和磁滯效應

磁化過程按磁矩旋轉和疇壁移動分為可逆和不可逆。當施加小磁場時，與場方向相同的優先取向磁疇增加，主要磁化機制為疇壁運動。隨著場的增加，整個磁疇旋轉至易磁化軸方向[111]。這樣小磁場變化就產生大的磁致伸縮或應變，得出相應的M-H和ε-H曲線。當磁場最大時，材料表現為單疇狀態，磁矩從易磁化軸轉向外磁場方向。

對於低飽和磁場的情況，M-H和ε-H曲線近似表現為線性．但總表現出一定的磁滯效應。磁滯的原因可以歸為釘扎點對磁疇運動的不可逆損失，如疇壁運動需要經過Terfenol-D的兩個晶界時的情況。模擬磁滯效應和非線性情況時，設計和控制磁致伸縮是材料的焦點問題之一。