稀土超磁致伸缩材料的工作原理(稀土磁致冷材料)

导语：稀土超磁致伸缩材料六大工作特性——器件设计中必须引起重视

稀土超磁致伸缩材料在工作时具有以下特性，在设计器件时必须给予足够重视。

（1）“跳跃”特性

对于<111>与样品轴成15°角的超磁致伸缩材料，当沿其轴向施加压应力时，磁致伸缩应变曲线很陡峭，如图1所示。这使得超磁致伸缩材料在低磁场下就能获得很高的磁致伸缩应变值，这一现象称为磁致伸缩的“跳跃”现象。英文是“Jump effect”。

图1 不同预压应力下的H~λ曲线

超磁致伸缩材料在实际应用时，应该在轴向预加适当的压力，这样可以增大磁致伸缩系数和磁致伸缩系数对磁场的灵敏度。另一方面，超磁致伸缩材料的抗拉强度远小于抗压强度，预加压力也可以增强材料的抗拉能力。

（2）ΔE效应

稀土超磁致伸缩材料的ΔE效应是指它的弹性模量随外磁场变化而变化。如图2所示。这是因为当有外磁场作用时，其内部会产生应变和应力，此时获得的长度变化由应力作用引起的长度变化和磁致伸缩引起的长度变化叠加起来的。当稀土超磁致伸缩材料达到磁化饱和以后，后一部分长度变化就不再产生，仅剩下由应力作用引起的长度变化，此时的弹性模量将不再受磁场的影响。

图2 Tb0.3Dy0.7Fe2室温时的弹性模量

由于超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数λs很高，因此其ΔE效应很明显。谐振态下铽镝铁超磁致伸缩材料的最大ΔE变化可达到161%。较强的ΔE效应是器件结构参数变化的起因之一，能够影响能量转换及器件的输出特性，故在超磁致伸缩换能器设计前应该预估该效应对GMM棒纵振动基频的影响。另一方面，该效应则是某些新型器件开发的物理依据，如声延迟线、变频谐振子、参量放大器、传感器等。

（3）温度特性

在低温下，稀土超磁致伸缩材料平行于<111>方向的的磁致伸缩伸缩随着温度的下降，急剧减小；高温下，随着温度的升高，磁致伸缩也逐渐减小，直至其居里点时磁致伸缩特性性能消失；而在室温下，特别是在0~80℃，超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数的变化并不明显，如图3所示。

图3 磁致伸缩系数与温度的关系曲线

因此，超磁致伸缩材料在0~80℃的范围内使用才能发挥其最佳性能。

（4）倍频效应

由于稀土超磁致伸缩材料在正反向磁场中都是伸长变形的，因此在交变磁场作用下的超磁致伸缩材料其形变输出频率是励磁电流频率的两倍，称为倍频特性，如图4所示。

图4 磁致伸缩 “倍频”现象

由于这种“倍频”现象，引起了超磁致伸缩材料不同频率的机电转换，还会带来一定的非线性影响，因此在实际应用中应尽量避免这种现象。在激励磁场之外，再给超磁致伸缩材料施加一个适当的恒定磁场，可使它处于极化状态，可消除倍频现象。所加的恒定磁场称为偏置磁场，又称为极化磁场。

（5）涡流效应

所谓涡流是指外加磁场在磁致伸缩棒中产生的感生电流，其沿磁致伸缩棒的断面呈旋涡状，且顺时针方向流动与逆时针方向流动反复变化着，变换的周期和外加磁场的周期是相同的。涡流的密度从工件的中心到表层分布不是均匀的，愈靠近表层，其密度愈大，而电源的频率愈高，这种差别就越大。甚至表层的电流密度很大，而在心部，基本上没有电流，这种现象称为集肤效应。

由于磁致伸缩材料具有一定的电阻率，这样就会产生一定量的欧姆损耗。反之，涡流又会激发一个磁场来阻止外磁场引起的磁通量的变化，使材料内的实际磁场减小，降低超磁致伸缩材料的利用率。

涡流电流会使材料发热产生热变形、减低换能器的效率。对于高频应用，超磁致伸缩材料中产生的涡流损耗较大，因而对输出特性的影响较大。若不采取措施对伸缩元件的热变形加以控制，则换能器整体的稳定性、可靠性和精度都会受到很大影响，变得很差。实际应用中必须采取相应的措施抑制涡流效应。

当前比较常用的方式是将超磁致伸缩材料沿平行于棒轴方向进行分片切割，再用绝缘胶将片与片黏结起来，如图5（a）所示。

还有一种切割的方法如图5（b）所示。半径为R的GMM棒，中间留有半径为r的一实心体，余下部分沿径向均匀分切n道缝，并将绝缘胶加压灌注入这些切缝中。

另外，为了改善稀土超磁致伸缩材料高频特性，可以采用稀土超磁致伸缩复合材料（GMPC），它是由稀土超磁致伸缩材料的粉末和粘结剂合成的复合材料，提高了材料的电阻率，改善了材料的加工性能，加工也相对容易了。

图5 高频使用的GMM棒切割示意图

（6）磁机耦合特性

当超磁致伸缩材料在磁场中发生磁致伸缩效应的同时，反过来，由于超磁致伸缩材料所受的机械应力也会对其内部的磁化状态产生影响，即所谓的磁致伸缩逆效应——压磁效应。由于磁致伸缩效应与磁致伸缩逆效应的存在，使材料中原本相互独立的两个子系统——磁系统和机械系统发生了耦合。此时，反映材料力学性能的弹性模量不仅仅取决于应力/应变关系，而且与材料的磁化状态有关；相应的，材料的磁化率也不仅仅取决于其磁化强度与磁场的关系，而且与材料的受力状态有关。换言之，对于磁性材料，如果其磁致伸缩不为零，那么磁学量（磁场强度H、磁感应强度B）和力学量（应力σ、应变ε）之间就会相关起来。

磁致伸缩效应和磁致伸缩逆效应的本质是使材料的磁系统和弹性系统发生了能量交换。如果通过改变磁感应强度和磁场强度以增加材料的磁能，那么所增加的磁能中，就有一部分会转变成弹性能，使材料的应力和应变发生变化；反之，如果通过改变材料的应力和应变以增加材料的弹性能，那么所增加的弹性能中也有一部分会转变成材料的磁能。这就是所谓的磁机耦合。

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