磁致伸缩材料PDF电子书下载

1 绪论 1

1.1 磁致伸缩材料的物理效应 1

1.1.1 线性磁致伸缩效应（焦耳效应） 1

1.1.2 维拉里效应 2

1.1.3 魏德曼效应 2

1.1.4 魏德曼效应逆效应 2

1.1.5 阻尼效应 2

1.1.6 △E效应 2

1.1.7 拉胀效应 3

1.2 磁致伸缩材料的功能特性 4

1.2.1 将电（磁）能转换为机械能的特性 4

1.2.2 将机械能转化为电磁能的特性 4

1.2.3 扭转力矩与电磁能的相互转换 4

1.2.4 将机械能转化为热能的特性 4

1.2.5 快速锁定与快速解锁机械系统 5

1.3 磁致伸缩材料的发展 5

1.3.1 磁致伸缩材料 5

1.3.2 磁致伸缩材料的发展 5

1.4 磁致伸缩材料的种类和技术性能比较 7

1.4.1 磁致伸缩材料的种类 7

1.4.2 磁致伸缩材料的性能比较 7

1.5 磁致伸缩材料在新技术中的运用 10

参考文献 11

2 磁致伸缩材料磁学理论概要 12

2.1 磁致伸缩现象与磁学基础 12

2.2 磁学量的定义与单位制 13

2.3 原子的电子结构与原子磁矩μJ 15

2.3.1 磁性的普遍性 15

2.3.2 孤立原子的电子结构 15

2.3.3 电子轨道磁矩μl 18

2.3.4 电子的自旋磁矩μS 19

2.3.5 孤立原子的原子磁矩μJ 20

2.3.6 晶体中的原子磁矩 20

2.4 自发磁化理论要点 22

2.4.1 3d金属与合金的自发磁化与磁有序 22

2.4.2 稀土金属的自发磁化与磁有序 23

2.4.3 稀土金属间化合物的自发磁化 25

2.5 铁磁体中的磁自由能与磁畴结构 26

2.5.1 静磁能EH 27

2.5.2 磁晶各向异性能EK 27

2.5.3 退磁场与退磁场能Ed 30

2.5.4 磁致伸缩与磁弹性能 32

2.5.5 磁畴壁与畴壁能Ew 32

2.5.6 磁畴的形成和磁畴结构 34

2.6 技术磁化与反磁化过程 36

2.6.1 技术磁化与反磁化过程 37

2.6.2 畴壁位移的磁化过程 38

2.6.3 磁矩转动的磁化过程 39

2.7 磁性材料的磁学性能 41

2.7.1 饱和磁化强度与饱和磁感应强度 41

2.7.2 剩磁 42

2.7.3 矫顽力 44

2.7.4 磁化率与磁导率 49

2.7.5 磁化强度与温度的关系及居里温度 52

2.8 交流磁场中的磁化过程与动态磁参量 53

2.8.1 铁磁性材料在交流磁场中的磁化特点 53

2.8.2 动态磁导率 54

2.8.3 铁磁材料在交流磁场中的能量损耗 56

参考文献 61

3 磁致伸缩与磁弹性 62

3.1 磁致伸缩与磁状态变化的关系 62

3.1.1 直接交换作用能引起的磁致伸缩效应 62

3.1.2 外磁场中磁化产生的线性磁致伸缩应变 63

3.1.3 力致磁致伸缩效应 63

3.2 多晶材料线致磁致伸缩应变λs的表述 63

3.3 立方晶系单晶体的线性磁致伸缩应变表达 65

3.3.1 立方晶系单晶体线性磁致伸缩应变的方程式 65

3.3.2 磁致伸缩应变系数3/2λ100和3/2λ111的测量 66

3.4 弹性变形与弹性常数 68

3.4.1 概述 68

3.4.2 材料简单受力的弹性变形与弹性常数 68

3.4.3 复杂应力作用下材料的弹性变形与弹性常数 70

3.5 立方结构材料的磁弹性能以及磁致伸缩应变与弹性常数的关联 75

3.5.1 概述 75

3.5.2 简单立方晶体材料的磁弹性能 76

3.5.3 体心立方晶体与面心立方晶体材料的磁弹性能Eme 77

3.5.4 立方晶体弹性能 78

3.5.5 线性磁致伸缩应变与磁弹性常数的关联 78

3.6 立方结构铁磁材料的应力能与应力各向异性 80

3.6.1 应力能的表述 80

3.6.2 立方结构材料应力引起的各向异性 82

3.7 材料磁致伸缩应变λs的理论值与影响实际值的因子 84

3.7.1 3/2λ100（或3/2λ111）的物理意义 84

3.7.2 晶体取向因子αGO 84

3.7.3 磁畴结构因子βDO 85

3.7.4 γ（H/Hs）因子 86

3.8 磁致伸缩材料应用的原理和对材料的性能（技术参量）的要求 87

3.8.1 磁致伸缩材料的应用原理 87

3.8.2 磁致伸缩驱动棒的能量转换原理和磁机械耦合常数k33 88

3.8.3 使用时对磁致伸缩材料性能的要求 91

参考文献 93

4 稀土铁系磁致伸缩材料 95

4.1 稀土磁致伸缩材料的发展 95

4.2 RFe2系材料的相图，稀土铁化合物的结构与内禀磁特性 97

4.2.1 Tb-Fe、Dy-Fe、Sm-Fe二元系相图 97

4.2.2 Tb-Dy的二元相图 99

4.2.3 R-Fe二元化合物的晶体结构和磁致伸缩 99

4.3 （Tb，Dy）Fe2合金的磁晶各向异性的相互补偿 106

4.4 TbxDy1-xFe2稀土巨磁致伸缩材料的制备与晶体生长原理 108

4.4.1 概述 108

4.4.2 熔体定向凝固制造单晶或取向多晶材料的技术 109

4.4.3 熔体定向凝固制备轴向取向柱晶材料的原理 112

4.4.4 Tb-Dy-Fe区熔定向凝固时轴向择优生长方向 113

4.5 Tb-Dy-Fe合金的晶体定向凝固晶体轴向取向与商品巨磁致伸缩材料 117

4.5.1 Tb-Dy-Fe合金单晶体磁致伸缩应变的各向异性 117

4.5.2 非取向多晶与取向多晶体的磁致伸缩应变 118

4.5.3 Tb-Dy-Fe合金的［112］轴向取向的磁致伸缩应变λ112 119

4.5.4 Tb-Dy-Fe合金的［110］轴向取向的磁致伸缩应变λ110 120

4.5.5 商品稀土巨磁致伸缩材料及其特性 122

4.6 稀土巨磁致伸缩材料（Tb，Dy）Fey的显微结构 124

4.6.1 Tb-Dy-Fe三元合金的相图和相组成 124

4.6.2 Tb0.2 7～0.3 5Dy0.7 3～0.6 5Fe1.9 5合金铸态的显微组织 126

4.6.3 重稀土元素Tb和Dy在组成相中的分布 128

4.6.4 Tb-Dy-Fe磁致伸缩材料的晶体缺陷 128

4.7 稀土巨磁致伸缩材料Tb-Dy-Fe的热处理 131

4.7.1 概述 131

4.7.2 一般热处理 131

4.7.3 热处理前后材料的显微组织结构的变化 132

4.7.4 磁场热处理 133

4.8 Tb-Dy-Fe的畴结构与磁化过程 138

4.8.1 概述 138

4.8.2 Tb-Dy-Fe的畴结构 138

4.8.3 磁化过程与磁致伸缩应变 140

4.9 预压应力与磁致伸缩材料的性能 141

4.9.1 概述 141

4.9.2 预压应力的大小对λ-H曲线的影响 141

4.9.3 预压应力大小对k33曲线的影响 142

4.9.4 三种轴向取向样品形成90°畴结构所需的预压应力 143

4.10 其他稀土磁致伸缩材料 144

4.11 Tb-Dy-Fe材料的稳定性 146

4.11.1 化学稳定性 146

4.11.2 环境稳定性 146

参考文献 149

5 Fe-Ga系磁致伸缩材料基础 153

5.1 概述 153

5.2 Fe基磁致伸缩合金相图 153

5.2.1 Fe-Ga二元系平衡相图与相关系 153

5.2.2 Fe-Ga二元系亚稳定（非平衡）相图与相关系 155

5.2.3 Fe-Al与Fe-Be平衡相图 155

5.2.4 Fe-Al与Fe-Ga二元系亚稳相图的比较 157

5.3 Fe-Ga二元系存在的相 158

5.3.1 A2相的晶体结构 158

5.3.2 B2相的晶体结构 159

5.3.3 DO3相的晶体结构 160

5.3.4 DO19相晶体结构 160

5.3.5 L12相晶体结构（或称Cu3Au型结构） 161

5.4 Fe-Ga合金中各种相的物理性质 161

5.4.1 晶体结构参数 161

5.4.2 力学性能 162

5.4.3 磁学性能与磁致伸缩性能 163

5.4.4 不同相的居里温度 166

5.5 二元系Fe100-xGax的性能与Ga含量x的关系 166

5.5.1 3/2λ100和3/2λ111与Ga含量的关系 166

5.5.2 其他性能与Ga含量的关系 169

5.6 Fe-Ga合金的相转变与相关系 176

5.6.1 讨论Fe-Ga合金相变的必要性 176

5.6.2 富Fe区（x=5at.％～35at.％Ga）相转变的特点 177

5.6.3 富Fe区（x=5at.％～35at.％Ga）Fe-Ga合金的恒温相变过程 178

5.6.4 富Fe区（x=5at.％～37at.％Ga）合金以不同速度冷却的相变 179

5.6.5 Fe-Ga合金中存在多种相的识别 182

5.7 A2相固溶体的微结构 190

5.7.1 研究A2相固溶体的微结构的必要性 190

5.7.2 Fe-Ga合金A2相固溶体的微结构的特征和研究手段 191

5.7.3 采用HRXRD和高能透射XRD技术，研究A2相固溶体结构的不均匀性 191

5.7.4 A2相固溶体结构不均匀性的本质 195

5.8 Fe-Ga合金磁致伸缩应变与成分、显微结构及磁弹性的关系 201

5.8.1 决定A（成分）区内3/2λ100变化及第一个峰值的主要因素 201

5.8.2 决定B（成分）区内3/2λ100变化的主要因素 203

5.8.3 决定C（成分）区内3/2λ100变化及第二个峰值的主要因素 203

5.8.4 决定D（成分）区内3/2λ100变化的主要因素 206

5.9 第三组元对Fe-Ga单晶合金磁致伸缩性能的影响 207

5.9.1 概述 207

5.9.2 少量添加间隙原子（C、N、B）对Fe-Ga合金单晶体性能的影响 207

5.9.3 添加取代Ga的金属元素对Fe-Ga合金单晶样品性能的影响 210

5.9.4 添加过渡族金属元素对Fe-Ga-M合金性能的影响 213

5.10 Fe-Ga合金单晶体的畴结构 215

5.10.1 研究磁畴结构的目的 215

5.10.2 样品制备方法对MFM磁畴结构的形貌的影响 215

5.10.3 决定Fe-Ga合金磁畴结构的因子 218

5.10.4 观察磁畴方法（技术）的选择 220

5.11 Fe-Ga合金织构表述 222

5.11.1 铁基合金单晶体磁致伸缩应变的各向异性和材料的织构 222

5.11.2 材料织构的表述 223

5.11.3 晶体取向分布函数（ODF） 225

5.12 Fe-Ga材料应力退火处理和磁场退火处理 228

5.12.1 应力退火处理工艺 228

5.12.2 应力退火对Fe-Ga合金磁致伸缩性能的影响 228

5.12.3 Fe-Ga应力退火处理感生的单轴各向异性的来源与模拟计算 232

5.12.4 Fe-Ga合金的磁场退火处理 237

5.12.5 Fe-Ga合金磁场退火与应力退火结果的比较 241

5.13 Fe-Ga磁致伸缩材料性能的压力效应 242

5.13.1 研究压力效应的必要性 242

5.13.2 Fe-Ga合金单晶体＜100＞晶向的压应力效应 243

5.13.3 Fe-Ga合金单晶体＜110＞晶向的压应力效应 249

参考文献 250

6 Fe-Ga轧制薄板磁致伸缩材料 255

6.1 概述 255

6.1.1 薄板厚度与能量损耗的关系 255

6.1.2 Fe-Ga系合金冷轧板工艺流程 255

6.2 Fe-Ga合金的脆性和塑性的改进 257

6.2.1 Fe-Ga合金脆性的原因 257

6.2.2 改善Fe-Ga合金脆性的途径 258

6.3 Fe-Ga合金的形变、加工硬化与微结构储能 260

6.3.1 Fe-Ga合金的形变 260

6.3.2 Fe-Ga合金的加工硬化 264

6.3.3 Fe-Ga合金变形后的显微结构与储能 267

6.4 Fe-Ga合金冷变形组织的回复与再结晶 268

6.4.1 冷轧变形态的显微结构 268

6.4.2 形变金属的回复 269

6.4.3 再结晶 270

6.5 Fe-Ga合金的二次再结晶与再结晶织构 272

6.5.1 概述 272

6.5.2 Fe-Ga合金二次再结晶织构和性能的研究进展 273

6.6 （100）与（110）取向晶粒反常长大的机理 276

6.6.1 第二相沉淀质点阻碍初次再结晶晶粒正常长大 276

6.6.2 晶粒表面能差 277

6.6.3 晶界能（高能晶界与csl晶界） 277

6.7 决定Fe-Ga合金冷轧薄板二次再结晶时（110）或（100）晶粒AGG的因素 277

6.7.1 二次再结晶退火温度、时间和气氛的影响 278

6.7.2 升温速率对Fe-Ga合金二次再结晶织构发展的影响 280

6.7.3 硫的偏聚对Fe-Ga合金二次再结晶晶粒AGG的影响 281

6.7.4 氧原子在Fe-Ga合金冷轧板表面偏聚浓度对织构类型和3/2λs的影响 286

6.7.5 高能晶界与csl晶界对Fe-Ga合金冷轧板二次再结晶晶粒AGG和织构的影响 288

6.8 Fe-Ga合金织构的完整性对3/2λs的影响 290

6.9 柱状晶轧制薄板的二次再结晶 293

6.10 Fe-Ga合金冷拔丝材与魏德曼效应 297

6.10.1 概述 297

6.10.2 Fe-Ga合金丝材的制备工艺 298

6.10.3 Fe83Ga17合金丝λ//与再结晶退火工艺的关系 299

6.10.4 Fe83Ga17合金丝λ//与显微组织及织构的关系 300

6.10.5 Fe-Ga合金丝的魏德曼效应 301

6.10.6 魏德曼效应扭转角θ与合金成分，周向场及轴向场的关系 303

6.10.7 磁致伸缩应变与魏德曼效应的关系 307

参考文献 309

7 Fe-Ga系取向多晶块体材料 312

7.1 概述 312

7.2 取向多晶Fe-Ga合金棒材的制备方法与工艺 313

7.3 Fe-Ga合金柱状晶生长过程中Ga浓度的变化 314

7.3.1 Fe-Ga合金柱状晶生长过程中固／液Ga浓度的变化 314

7.3.2 Fe-Ga合金取向多晶（柱状）体生长过程溶质原子（Ga）的分配系数 314

7.3.3 Fe-Ga合金取向多晶（柱状）棒状样品沿长度方向Ga浓度的变化 316

7.4 Fe-Ga合金定向凝固棒取向晶体（柱状）生长的条件 317

7.5 Fe-Ga合金定向凝固（柱晶）棒材磁致伸缩性能与成分、微结构和工艺之间的关系 318

7.5.1 定向凝固（DS）和定向生长（DG）的研究进展 318

7.5.2 Fe-Ga合金定向凝固样品的晶体取向与λ//的关系 319

7.5.3 制造方法与工艺因素对Fe-Ga取向多晶（柱状）棒的λ//（λs）的影响 322

7.6 Ga含量与第三组元对取向多晶棒材性能与显微组织的影响 329

7.6.1 Ga含量对定向凝固取向多晶Fe100-xGax合金棒材λs的影响 329

7.6.2 第三组元添加对Fe-Ga合金取向多晶棒材性能的影响 329

参考文献 335

8 Fe-Al与Fe-Co磁致伸缩材料 337

8.1 Fe-Al合金磁致伸缩材料 337

8.1.1 Fe-Al二元合金相图、相结构与相转变 337

8.1.2 Fe-Al二元合金的性能 337

8.1.3 决定Fe100-xAlx合金3/2λ100的主要因素 339

8.1.4 Fe100-xAlx合金性能与温度的依赖关系 341

8.1.5 添加少量碳（C）对Fe-Al单晶合金磁致伸缩应变λ100的影响 342

8.1.6 Fe-Al合金冷轧薄板的织构 343

8.1.7 Fe-Al合金晶体取向块体样品的磁致伸缩性能 344

8.1.8 非取向多晶Fe-Al合金样品的磁性能与热处理工艺的关系 345

8.1.9 Fe-Al合金材料生产的难题 346

8.2 Fe-Co合金磁致伸缩材料 347

8.2.1 Fe-Co合金的相图、相结构与相转变 347

8.2.2 Fe-Co合金磁致伸缩应变与Co含量的关系 349

8.2.3 Fe-Co合金其他性能与Co含量的关系 353

8.2.4 Fe-Co-V合金磁致伸缩性能与工艺的关系 354

参考文献 357

9 铁氧体磁致伸缩材料基础 358

9.1 概述 358

9.2 金属氧化物的自发磁化——间接交换作用 359

9.3 铁氧体磁性材料的晶体结构 361

9.4 铁氧体材料金属阳离子的占位 362

9.5 铁氧体材料的分子磁矩 364

9.5.1 3d金属离子的电子数和离子磁矩 364

9.5.2 铁氧体材料的分子磁矩 365

9.5.3 铁氧体饱和磁化强度与温度的关系及居里温度 366

9.6 单晶铁氧体的磁致伸缩应变、磁晶各向异性常数K1和其他磁参数 368

9.7 铁氧体磁性材料的制造原理、方法与工艺 373

9.7.1 制造铁氧体材料的步骤 373

9.7.2 铁氧体粉末的反应合成法 374

9.7.3 传统粉末冶金法 374

参考文献 377

10 钴铁氧体磁致伸缩材料 378

10.1 钴铁氧体磁致伸缩材料的特点与发展 378

10.2 钴铁氧体单晶体的磁晶各向异性和磁致伸缩 378

10.2.1 钴铁氧体（CoFe2O4）单晶体的磁晶各向异性 379

10.2.2 Co0.8 Fe2.2 O4单晶体磁化行为 381

10.2.3 钴铁氧体单晶体的磁致伸缩应变 382

10.2.4 钴铁氧体单晶体与非取向多晶体磁致伸缩λ-H曲线的比较 384

10.3 钴铁氧体相图 385

10.4 Co含量x对CoxFe3-xO4相结构、显微结构和性能的影响 386

10.4.1 贫Co（x＜1.0）钴铁氧体的结构与性能 386

10.4.2 富Co铁氧体Co1.7 3Fe1.2 7O4的斯皮诺朵（spinodal）分解 387

10.4.3 钴铁氧体CoxFe3-xO4（1.0≤x≤2.6 ）的离子占位与磁性能 389

10.5 元素取代对钴铁氧体结构和性能的影响 393

10.5.1 Al取代对CoAlxFe2-xO4的影响 393

10.5.2 Zn取代对CoZnxFe2-xO4结构与性能的影响 395

10.5.3 Ge取代对Co1+xGexFe2-2xO4结构与性能的影响 397

10.5.4 Ni取代对Co1-xNixFe2O4结构与性能的影响 398

10.5.5 Cr取代对CoCrxFe2-xO4结构与性能的影响 399

10.5.6 Nb取代对Co-Nb铁氧体结构和性能的影响 400

10.5.7 稀土元素取代对CoRexFe2-xO4结构与性能的影响 400

10.6 制备方法与工艺对钴铁氧体结构与性能的影响 403

10.6.1 球磨法 404

10.6.2 溶胶-凝胶法 404

10.6.3 燃烧合成法 405

10.6.4 化学共沉淀法 407

10.7 成型压力对钴铁氧体性能的影响 407

10.8 烧结条件对钴铁氧体结构与性能的影响 409

10.8.1 微米量级粉末与纳米量级粉末具有不同的烧结行为 409

10.8.2 微米量级粉末制备钴铁氧体结构与显微组织的变化 411

10.8.3 微米量级粉末压结体在真空中烧结的结构与性能的关系 413

10.9 一般热处理对钴铁氧体结构与性能的影响 414

10.10 磁场退火处理（FA）对钴铁氧体结构与磁性的影响 418

10.10.1 磁场退火处理时样品与磁场的相互关系及工艺方法 418

10.10.2 单晶体的磁场处理 418

10.10.3 FA对微米量级粉末烧结样品结构与性能的影响 419

10.10.4 FA对纳米量级粉末烧结样品的结构与性能的影响 422

10.10.5 FA提高钴铁氧体材料性能的原因分析 424

参考文献 429

附录 433

附录A 磁学及相关物理量的单位换算表 433

附录B 元素周期表 435

附录C 元素周期表中各元素孤立（基态）原子的电子分布 436

附录D 相关术语缩写、中英文对照表及索引 439

附录E 化学元素名称英汉对照表 442