磁致伸缩材料

磁致伸缩效应简介

　　所谓磁致伸缩效应，是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。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，是人们研究应用的主要对象，又称之为线磁致伸缩。线磁致伸缩的变化量级为10-5～10-6。它是焦耳在1842年发现的，其逆效应是压磁效应。

选择

　　有关磁致伸缩材料性能的几个主要参量以及相关的影响因素，现归纳如下，亦即磁致伸缩换能器的选材原则：

　　[1]材料应具有显着的磁致伸缩效应，也就是说，其磁致伸缩应力常数和应变常数，以及机电耦合系数要越大越好；

　　[2]涡流损耗和磁滞损失要越小越好，这也意味着材料的电阻率应当较高或者说电导率较低为好；

　　[3]机械强度要高，因为在大功率应用时的振动振幅是比较大的；

　　[4]时间稳定性好，不易老化，以保障使用寿命；

　　[5]居里温度较高，以保障其温度稳定性好，因为磁致伸缩换能器在使用过程中是必然要发热的；

　　[6]要从实际应用需要出发，综合考虑应用效果与经济效益，如材料价格、制造成本等。

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，下面分别予以介绍：

　　[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。镍的电阻率较低，涡流损耗较大（在制作时可以通过把它压延成薄片后以层间绝缘的方式迭制来减少涡流损耗）。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：87%Fe+13%Al，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（化学成分和热处理都是合金特定状态-磁畴形成的重要条件）。此外还有铁钴合金（由等份量的铁和钴组成，具有很高的饱和磁导率，例如英国<超声学>中介绍的用于15-100KHz的磁致伸缩换能器，采用49%Co+49%Fe的铁钴合金+2%V--称为坡莫合金，550℃退火，制成0.1mm厚度的冲压片迭制成辐射面为8.5x11mm的换能器，在磁场强度达到10000安/米时达到饱和-采用极化系统，其效率可达70%）

　　[2]铁氧体

　　所谓铁氧体，是一种具有高电阻率的铁氧非金属磁性材料，通常是以四氧化三铁（Fe3O4）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（可达75%以上，如要输出10千瓦声功率时，电振荡器只要输出约13千瓦左右即可，因此所需电振荡器的体积显然比用镍的情况小得多），由于电阻率高而使得涡流损耗和磁滞损失也较小，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。

　　缺点主要是烧结体的机械强度差，在承受一定的应力时会显着恶化磁致伸缩性能（降低机电耦合系数-可下降2/3，降低磁导率-可下降40%），在相差不多的压应力作用下，镍的机电耦合系数只下降1/7左右，磁导率下降20%左右，因此，铁氧体磁致伸缩换能器的单个功率不能太大，若要功率大时，则需采用多个并联使用的措施，而且铁氧体和容器只能胶合不能焊合，也影响其用途的推广。另外，铁氧体的老化和温度稳定性也不够理想。

　　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，其机电耦合系数范围在0.2-0.3，适用于数千赫兹到100千赫兹的频率范围。

　　[3]新型磁致伸缩材

　　料近年来新开发的新型磁致伸缩材料很多，比较突出的有：

　　铁系非晶态强磁体：非晶态金属是一种原子排列杂乱无序（类似液体），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。如：Fe80P13C7、Fe66CO12Si8B14、Fe78Si10B12等。稀土类-铁合金：利用稀土金属与铁组成的合金R-F2有很大的磁致伸缩效应和其他一些优异性能，适合制作高输出的换能器，缺点是制造成本很高，加工性能差，脆性大等，尚有待改进。典型材料有：铽镝铁合金如（Tb0.26Dy0.74）Fe2和（Tb0.27Dy0.73）Fe2-δ合金系等。

　　四氧化三铁系统材料：这是在四氧化三铁中添加了少量的氧化钴（CoO）、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。