稀土超磁致伸缩材料介绍及应用.doc

稀土超磁致伸缩材料

在居里点温度以下时，铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度
和体积会发生微小的变化，这种现象称之为磁致伸缩效应，长度的变化是1842年由焦耳发现
致伸缩材料是近期发展起来的一种新型稀土功能材料。它具有电磁能与机

械能或声能相互转换功能。“稀土超磁致伸缩材料”是当今世界最新型的磁致缩

功能材料,是一种高效的Tb-Dy-Fe合金。它在低磁场驱动下产生的应变值高达

1500—2000ppm，是传统的磁致伸缩材料如压电陶瓷的5—8倍、镍基材料的

40—50倍，因此被称之为“超磁致伸缩材料”。

“稀土超磁致伸缩材料”产生的应力大、能量密度高，可瞬间响应，并且具

有可靠性高、居里温度高等优点，而且还是一种环保型材料；其所具有的卓越的

电磁能与机械能或声能转换性能，是传统的磁致伸缩材料所无法比拟的。

“稀土超磁致伸缩材料”可广泛应用于众多行业的科学研究与生产制造领

域，从军工、航空、海洋船舶、石油地质，到汽车、电子、光学仪器、机械制造，

再到办公设备、家用电器、医疗器械与食品工业，无处没有它大显身手的机会。

在国防、航空航天和高技术领域：如声纳与水声对抗换能器、线性马达、微位移

驱动（如飞机机翼和机器人的自动调控系统）、噪声与振动控制系统、海洋勘探

与水下通讯、超声技术（医疗、化工、制药、焊接等）、燃油喷射系统等领域，

有广阔的应用前景。

“稀土超磁致伸缩材料”对生产技术与生产工艺的要求极高，目前只有少数

几个国家的个别企业能够生产。

由三个组元组成（Tbl －xDyx）Fey（X＝0．27~0．40，Y＝1．90~2．0）

在较低磁场下具有很高磁致伸缩应变λ的合金，如Tbo0．3Dy0．7Fe1．95首先

于20世纪70年代初由美国海军表面武器实验室的A．C．Clark博士等人发明，

当即他们申请了美国专利。美国海军表面武器实验室于1987年将该专利技术转

让给美国阿依华州Ames市的前沿技术公司创建了专门生产稀土超磁致伸缩材

料的EtremaINC分公司。随后美国的Gibson和Verhoeven等人对

Tbo0．3Dy0．7Fe1．95合金晶体取向棒材（包括管材，片材等）的制造设备、

技术与工艺做了大量的研究，发明了一种连续生产取向（Tb－Dy－Fe）磁致伸缩

材料的方法，并申请了专利。北京科技大学经系统的研究优化了成分，采用与美

国专利完全不同的成分、设备和技术来制造＜110＞轴向取向的Tb－Dy（R’）

－Fe（M）超磁致伸缩材料。共申请了两项发明专利，其中第一项专利名称为稀

土超磁致伸缩材料，专利号为：ZL93106941．6，1993年6月生效，有效期20

年；第二项发明专利名称为：稀土超磁致伸缩材料及制造工艺，专利号为：Z

L98101191．8，2001年5月2日生效，有限期20年。

美国Gibson和Verhoeven等人的专利和北京科技大学周寿增等人的专利

是目前世界上对稀土超磁致伸缩材料具有独立知识产权的专利。

稀土超磁致伸缩材料由三个组元组成（Tbl－xDyx）Fey（X＝0．27~0．40，

Y＝1．90~2．0）在较低磁场下具有很高磁致伸缩应变λ的合金，如

Tbo0．3Dy0．7Fe1．95首先于20世纪70年代初由美国海军表面武器实验室的

A．C．Clark博士等人发明。随后美国的Gibson和Verhoeven等人对

Tbo0．3Dy0．7Fe1．95合金晶体取向棒材（包括管材，片材等）的制造设备，

技术与工艺做了大量的研究，发明了一种连续生产取向（Tb－Dy－Fe）磁致伸缩

材料的方法。

该材料在军、民两用高技术领域有广阔的应用前景，专家预计到2010年的

销售额可以达到18亿美元。

1． 磁致伸缩现象（或效应）：铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或

缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度。磁致伸缩效应可用磁致伸

缩系数（或应变）λ来描述，λ＝（lH—lo）／lo，1o为原来的长度，1

H为物质在外磁场作用下伸长（或缩短）后的长度。

2． 磁致伸缩材料主要有三大类：即①是磁致伸缩的金属与合金，如镍和金煤
（Ni）基合金（Ni，Ni－Co合金，Ni－Co－Cr合金）和铁基合金（如F

e—Ni合金，Fe－Al合金，Fe－Co－V合金等）；②是铁氧体磁致伸

缩材料，如Ni－Co和Ni－Co－Cu铁氧体材料等。前两种称为传统磁致

伸缩材料，其λ值（在20—80ppm之间）过小，它们没有得到推广应用，

后来人们发现了电致伸缩材料，如（Pb，Zr，Ti）C03材料，（简称为

PZT或称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约

200~40