磁致伸缩现象（磁致伸缩现象）

磁致伸缩现象简介

磁致伸缩现象是焦耳在1842年发现的，所以又被称为焦耳效应。磁致伸缩现象有三种表现形式：①沿着外磁场方向尺寸大小的相对变化，称为纵向磁致伸缩；②垂直于外磁场方向尺寸大小的相对变化，称为横向磁致伸缩；③材料体积大小的相对变化，称为体积磁致伸缩。纵向或横向磁致伸缩又统称为线性磁致伸缩，具体表现为铁磁体在磁化过程中具有线度的伸长或缩短，横向和体积磁致伸缩工程应用不多见。磁致伸缩的大小用材料的相对伸长量λ来表示：

式中，Δl-材料长度变化量；

L-材料的整体长度。

λ的符号为正，表明随着磁场的增强，材料的长度变化是伸长的，称为正磁致伸缩；反之，λ的符号为负，表明随着磁场的增强，材料的长度变化是缩短的，称为负磁致伸缩。饱和时的磁致伸缩系数称为饱和磁致伸缩系数，记为“

超磁致伸缩现象与传统的磁致伸缩现象有一定的联系。磁致伸缩是由物质中原子或离子的自旋与轨道的耦合作用而产生的，是满足能量最小条件的必然结果。磁致伸缩效应是由于自旋与轨道耦合能和物质的弹性能趋近平衡过程的外在表现。

一般认为，磁致伸缩现象的产生乃是由于铁磁或亚铁磁材料在居里点以下发生自发磁化，形成大量的磁畴。在每个磁畴内，原子的磁矩有序排列，引起晶格发生形变，其磁化强度的方向是自发形变的一个主轴。在未加外磁场时，磁畴的磁化方向是随机取向的，无宏观效应。在外磁场中，磁畴的磁化方向趋向外磁场。通过磁弹性耦合，材料在磁化方向上将出现一个弹性变化。饱和时，整个材料就象一个大磁畴。若磁畴磁化强度方向是自发变形的长轴，则材料在外磁场方向将伸长；若磁畴磁化强度方向是自发变形的短轴，则材料在外磁场的方向将缩短。前者谓之正磁致伸缩，如Fe等；后者谓之负磁致伸缩，如Ni等。

磁致伸缩是相当复杂的现象，从自由能极小的观点来看，磁性材料的磁化状态发生变化时，其自身的形状和体积都要改变，因为只有这样才能使系统的总能量最小。具体来说，导致单畴铁磁体的形状和体积改变主要有以下三个原因：自发形变（自发的磁致伸缩）、形状效应、场致形变（磁致伸缩）。

由于磁致伸缩是磁性材料的内禀特性，不会随时间退化，如同某些压电材料。而且磁致伸缩材料的应变、压力、能量密度和耦合系数等特性和基于压电材料上的换能器技术相比，更具优势。但许多设计和建模的问题防碍了磁致伸缩材料的应用。如需要螺线管和相关磁场组件，磁致伸缩换能器通常比采用压电或电致材料的体积更大，故磁致伸缩材料的首选用于重型结构。

磁致伸缩材料发展

自从发现磁致伸缩现象以来，人们对磁致伸缩材料的研究一直没有停止。并且于20世纪中期发现了镍（Ni）和钴（Co）等金属、铁氧体材料及

一般而言，实用的超磁致伸缩材料应具有以下三个特点：①含有大量的稀土离子，这是获得超磁致伸缩的首要条件；②稀土离子参与的交换作用要远大于热运动能，以保证有较高的居里温度；③材料应具有不止一个易磁化方向，磁化时畴壁移动过程可以对磁致伸缩值有贡献，并且材料要有小的磁晶各向异性，使得达到饱和磁化所需要的外磁场不很高。

20世纪60年代中期，Clark、IJBg,vold等人发现中重稀土金属铽（JIb）和镝（Dy）在0K附近的磁致伸缩达

稀土超磁致伸缩材料的出现，以其优异的性能，迅速引起了全世界学者的浓厚的兴趣。科研人员对这一新型材料作了大量的实验研究，各国政府也投入大量资金予以支持，使得这种材料在近一二十年得到了迅猛的发展。美国前沿技术（Ease Technologies）公司1989年开始生产稀土大磁致伸缩材料，其商品牌号为Terfenol-D；随后瑞典Feredyn AB公司也生产销售稀土大磁致伸缩材料，产品牌号为Magmek 86；近10多年来，日本、俄罗斯、英国和澳大利亚等也相继研究开发出TbDyFe：型磁致伸缩材料，并有少量产品销售。近几年来，国外研制了近千种应用器件，批准的美国专利已超过一百件。我国几个重要研究单位于20世纪90年代前后开始

研究TbDyFe晶体磁致伸缩材料，如中科院物理所、金属所、北京有色金属研究总院、钢铁研究总院、包头稀土院、北京科技大学等，虽然实验室研究达到了较高水平，但目前都没有实现规模生产。近几年来，稀土超磁致伸缩材料的应用研究在国内也得到了重视，在声纳、精密机械、高速阀门、航空航天等方面应用取得了一些进展。有关磁致伸缩材料的制备工艺、磁致伸缩理论和新材料探索仍是近年来十分活跃的研究课题。

磁致伸缩材料特性

下表列出了主要磁致伸缩材料的性能。

磁晶各向异性能和磁致伸缩具有紧密联系，如果各向异性与应变无关，则不存在磁致伸缩效应。具有正磁致伸缩的材料在中等压力下表现增强的磁致伸缩效应。太小或太大的压力减小磁致伸缩。对具有负磁致伸缩系数的材料，如镍，作用相反，拉应力可以增强磁致伸缩效应。另外，受压情况下，如果与受压方向垂直的磁矩取向增加，则去磁化轴的长度减少至最小，饱和磁致伸缩增至最大。

磁化过程按磁矩旋转和畴壁移动分为可逆和不可逆。当施加小磁场时，与场方向相同的优先取向磁畴增加，主要磁化机制为畴壁运动。随着场的增加，整个磁畴旋转至易磁化轴方向[111]。这样小磁场变化就产生大的磁致伸缩或应变，得出相应的

对于低饱和磁场的情况，