磁致伸缩材料的特性及在传感器中应用的可能性

磁致伸缩材料的特性及在传感器中应用的可能性
作者：佐桥政司；张维连



      在镝等稀土金属中发现了超磁致伸缩现象后，人们就开始以稀土金属和Laves型金属间化合物为中心全力进行着研究。由于引进了近几年新开发的晶体生长控制技术，已成功的获得了室温下几百个奥斯特的低磁场和超过0.1%的超磁致伸缩特性。目前，对这类材料及应用的研究开发工作正在积极地进行着。本文概要的介绍了超磁致伸缩材料的特性及其在传感器、变送器方面应用的可能性。

1、磁致伸缩线现象和超磁致伸缩

       在磁体中存在着在磁化方向上晶格形变的磁致伸缩现象，其成都因伸缩的不同而异。这种现象，不论在过去常见的铁、钴、镍等磁性金属，铁氧体等氧化物磁体中，还是在比较新的非晶态磁性合金中都存在，这是众所周知的。

       正如上述，磁体中在磁化方向上晶格存在着磁致伸缩造成的形变现象。为保持其正常磁区结构，立方晶系的单晶，其对称型磁体外形会随外世附加磁场的磁化使晶格发生形变，而进行再排列，造成磁体最初外形发生变化。根据磁体的这种外形变化，即从沿外加磁场方向的形变和其垂直方向的形变，就可求出单晶体及各向同性体磁体的磁致伸缩值。不过，磁体的磁致伸缩值使用上述各项同性体的饱和磁致伸缩值的情况比较多。具有磁致伸缩值远远超过一般磁致形变材料磁致伸缩现象的起源是由于稀土金属原子中局部的电子的大的轨道角动量与自施轨道相互作用的结果。利用Stecevs因子a，全角动量J，4f电子云的平均半径可以计算出各种稀土金属浴铁形成的Laves型金属间化合物的磁致伸缩理论值。但在室温以下的极低温度时有的稀土金属单质也具有约1%的磁致伸缩特性。

2、结晶生长控制和磁场各向异性及磁致伸缩

       镝、Tb等稀土金属与铁形成的Laves型金属间化合物，在室温下显示出超过1%的超磁致伸缩现象，在对传感器，强力振子，机械控制器体方面的应用中，目前正在研究能获得①磁滞现象小，②能发生大的力，③电---机械变化效率高等几项指标的问题。

       但是这种化合物在形成的金刚石晶格的稀土金属原子的见习中具有由4个铁原子构成的四面体型尺寸因子最稠密的构造，对称性很高。因此，其方向的磁致伸缩值如果仅按前面所说的稀土金属磁致形变考虑，理论上为零，存在极大的磁致形变各向异性，与其使用其多晶体就不如使用其单晶体易磁化轴方向的磁致形变，不仅从磁致伸缩值，从低磁场驱动（低输入电力）的角度看也是很理想的。

       依阿华州立大学的Verhoven等人进行了无缺陷单晶生长试验。结果发现以112为生长轴只能得到双晶。详细地研究了树枝状相、双晶形成过程后认为：以易磁化轴方向作生长轴时能得到无缺陷单晶体，也提出了001树枝状晶体生长条件控制方法。研究了目前的双晶晶体，在10MPa左右的压缩应力下，在100Oe的地磁场时观察到了磁致伸缩突变现象，认为在低磁场下也存在着实现超过0.1%的超磁致伸缩的某种可能性。这种晶体生长技术的发展，从磁场的各向异性、磁矫顽力的观点看也是很重要的，目前同时具有超磁致伸缩性和软磁性的化合物只有TbFe2-DyFe系列。人们期待着扩大这类材料的范围，实现成本低、机一电变化系数更大的要求，从创拿起应用的观点看，可以说是一项关键技术。

3、对传感器-变动器应用的可能性

      作为能产生强力、大变位材料的超磁致伸缩合金，除直接利用其磁致伸缩效应制成机械控制器件、强力振子外，利用其逆磁致伸缩效应将机械能变换成电能的高压传感器、振动传感器方面的研究开发也正在积极地进行着。比如正在试制的一种磁致伸缩效应变送器，它是由超磁致伸缩合金杆、产生偏置磁场的永久磁铁、偏转线圈等构成。杆直径6mm长50mm，是一种超磁致伸缩合金（多晶体）材料。从磁滞特性角度考虑，偏置磁场可设计到500Ot左右。这种变送器，φ6mm杆上施加20Kg负荷时的状态（应力约1Kg/mm）显示出与无负荷时同样的变位特性，是一种具有及其优良的负荷特性的固体变送器。这种高强度特性和利用逆磁致伸缩效应的压力传感器一样，有希望称为一种超高压力传感器。

4、今后的课题

       我们从这种超磁致伸缩合金磁致形变产生的机理触发，研究了Laves型金属间化合物中过渡元素金属产生的四面体结构，用抗强磁性相互作用能力很高的锰来置换某种过渡金属，实现各向异性的控制和高性能化。当用Mn置换一部份Fe形成TbDy时，由于Mn具有很高的抗强磁性相互作用能力和过渡金属三角形晶格结构及稀土金属与过渡金属间抗平行结合性，所以即使有少量置换量也会明显的影响磁场各向异性及磁致伸缩性能。象易磁化轴为100的Dy用Co置换时，Co含量高时过渡金属的3d电子会出现局部崩塌现象，而在100方向的磁致伸缩值超过0.1%，显示出超磁致伸缩现象；不置换Fe化合物就没有这么大的磁致伸缩特性。这种现象仅限于有稀土金属的化合物中，其本质还不太清楚。弄清楚这种机理是今后实现高磁致伸缩效应低磁场各向异性话的课题之一。人们期望通过了解这种机理而制造出成本更低、磁场更低而超磁致伸缩现象更大的合金材料。






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