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高磁致伸缩合金

[拼音]:gaocizhishensuo hejin

[外文]:high magnetostriction alloys

具有大的饱和磁致伸缩(λ≥30×10-6)的合金,简称磁致伸缩合金。主要用于制作声学装置。物体磁化时发生的尺寸变化称为磁致伸缩,通常是指物体在磁化方向上的相对长度变化,并以λ=Δ����/��来表示,式中��为物体未磁化时的长度,Δ��为磁化时的长度变化。λ是磁场强度H的函数(图1),在饱和磁化下所产生的磁致伸缩称为饱和磁致伸缩。

1842年焦耳 (J.P.Joule)首先发现铁在磁化时沿磁化方向的长度增大而在垂直方向缩短,即磁致伸缩现象。1882年巴雷特(W.F.Barret)发现,镍在所有磁场下都收缩。1920年和1927年日本本多光太郎和增本量等先后研究了Fe-Co合金和Co-Ni合金的磁致伸缩。1929年皮尔斯(G.W.Pierce)首先用磁致伸缩合金制作高频声波发生器。1950年萨斯曼(H.Sussman)等人报道了 Fe-Co-Cr(Hiperco) 合金换能器特性。同年增本量等研究了称为Alfer的Fe-Al合金的动态磁致伸缩特性。1953年美国纳赫曼(J.F.Nachman)等发展了称为Alfenol的热轧或温轧、冷轧的Fe-Al合金。1956年戴维斯(C.M.Davis)等研究了含Ni35~67.5%的 Ni-Fe合金的磁致伸缩特性。1956年和1961年美国克拉克(C.A.Clark)研究了Ni-Co合金和Ni-Co-Cr合金的动态磁致伸缩特性。70年代初美国库恩(N.C.Koon)和克拉克(A.E.Clark)等发展了稀土(R)铁高磁致伸缩合金,后来还出现了过渡族金属类金属非晶态高磁致伸缩合金,但还处于实验研究阶段。

表中λs为饱和磁致伸缩,是这一类合金的基本参量,一般都大于30×10-6。磁致伸缩合金主要用于将磁能转换成机械能,因此,另一个重要参量是量度这种转换效率的机电耦合系数 (k)

式中EH为在恒定磁场H下的弹性模量;μr为有效相对磁导率,常用磁致伸缩合金的机电耦合系数多在0.3~0.5之间。磁致伸缩合金多在较高频率下工作,所以希望具有较高的电阻率(ρ)。金属和合金的电阻率均较低,因此使用时多加工成薄片或表面涂绝缘层以降低涡流损耗。

液态快冷的铁基非晶态合金(见非晶态金属)具有高的饱和磁致伸缩,例如常见的Fe80B15Si5、Fe80P13C7和Fe66Co12Si18B14非晶态合金的λs分别为30×10-6、31×10-6和36×10-6。由于铁基非晶态合金兼有高的λsμr,所以k值很高,例如Fe78Si10B12非晶态合金的k在适当的热处理条件下可达0.68(图2)。这类合金的机电耦合系数的最大值多在数百毫奥斯特到数奥斯特的偏置磁场下出现,电阻率约150μ・cm,目前只能做成约40μm厚的带材。

RFe2(R表示稀土金属) 合金具有极高的饱和磁致伸缩。例如TbFe2合金,λs≈1753×10-6,为通常磁性合金的10~100倍,是磁致伸缩材料中的最高值。一些RFe2合金的|λ∥―λ��|与外加磁场的关系见图3。λ∥ 和λ�� 分别为平行和垂直于磁场的磁致伸缩。虽然这类合金具有极高的饱和磁致伸缩,但须在很高的磁场下才能达到饱和值,这就严重限制了它的应用。在 TbFe2二元合金的基础上用其他稀土金属部分取代Tb,可以降低合金的磁各向异性,形成可以在较低磁场下达到磁致伸缩饱和值的多元合金 (但磁致伸缩数值则低于TbFe2)。例如Tb0.3Dy0.3Fe2(Terfenol-D)合金的λs=1068×10-6。Tb0.3Dy0.7Fe2合金经1000℃热处理后,在180Oe时测得机电耦合系数k=0.6。磁致伸缩合金主要以带材和丝材的形式应用。

参考书目
  1. R.M.Bozorth,Ferromagnetism,Nostrand,Princeton,New Jersey,1951.
  2. 津屋�N、荒井�t一:《�暧梦锢怼�Vol.46,No.7,pp.654~662,1977。

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文章名称:《高磁致伸缩合金》
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