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磁致伸縮
21世紀的戰略性功能材料●軍民兩用高技術領域有廣闊的
　21世紀的戰略性功能材料
●軍民兩用高技術領域有廣闊的應用前景
●預計2010年銷售額可達18億美元
磁致伸縮的應用越來越廣泛，適應
由三個組元組成（Tbl －xDyx）Fey（X＝0．27~0．40，Y＝1．90~2．0）在較低磁
場下具有很高磁致伸縮應變λ的合金，如Tbo0．3Dy0．7Fe1．95首先于20世紀70年代初由
美國**表面武器實驗室的 A． C．Clark博士等人發明，當即他們申請了美國**。美國
**表面武器實驗室于1987年將該**技術轉讓給美國阿依華州 A mes市的前沿技術公司
創建了專門生產稀土超磁致伸縮材料的EtremaINC分公司。隨后美國的 G ibson和Verh
oeven等人對 Tbo0．3Dy0．7Fe1．95合金晶體取向棒材（包括管材，片材等）的制造設備
、技術與工藝做了大量的研究，發明了一種連續生產取向（Tb－Dy－Fe）磁致伸縮材料的
方法，并申請了**。北京科技大學經系統的研究優化了成分，采用與美國**完全不同
的成分、設備和技術來制造＜110＞軸向取向的 Tb－Dy（R’）－Fe（M）超磁致伸縮材料
。共申請了兩項發明**，其中**項**名稱為稀土超磁致伸縮材料，**號為： Z
L93106941．6，1993年6月生效，有效期20年；**項發明**名稱為：稀土超磁致伸縮材
料及制造工藝，**號為： Z L98101191．8，2001年5月2日生效，有限期20年。
美國 G ibson和Verhoeven等人的**和北京科技大學周壽增等人的**是目前世界上
對稀土超磁致伸縮材料具有獨立知識產權的**。
稀土超磁致伸縮材料由三個組元組成（Tbl－xDyx）Fey（X＝0．27~0．40，Y＝1．90~
2．0）在較低磁場下具有很高磁致伸縮應變λ的合金，如Tbo0．3Dy0．7Fe1．95首先于20
世紀70年代初由美國**表面武器實驗室的 A．C．Clark博士等人發明。隨后美國的 G
ibson和Verhoeven等人對 Tbo0．3Dy0．7Fe1．95合金晶體取向棒材（包括管材，片材等）
的制造設備，技術與工藝做了大量的研究，發明了一種連續生產取向（Tb－Dy－Fe）磁致
伸縮材料的方法。
北京科技大學經系統的研究優化了成分、設備和技術來制造＜110＞軸向取向的 Tb－
Dy（R’）－Fe（M）超磁致伸縮材料。該校自20世紀80年代末開始對稀土超磁致伸縮材料
進行研究。經過近十年的研究，現已掌握了材料的成分、添加元素、制造工藝、熱處理等
關鍵技術。特別是他們自己發明創造的生產＜110＞軸向取向材料的技術，使制造的產品在
低磁場下具有高的磁致伸縮性能，在40kA／m的磁場下，應變值達到950~1150ppm，達到國
際先進水平。這種具有＜110＞軸向取向的稀土超磁致伸縮材料及制造工藝已獲得國家**
。＜110＞軸向取向稀土超磁致伸縮材料的研制在國內外具有重大**性，并且取得了顯著
社會效益和經濟效益。該材料在軍、民兩用高技術領域有廣闊的應用前景，專家預計到201
0年的銷售額可以達到18億美元。
1．磁致伸縮現象（或效應）：鐵磁性物質在外磁場作用下，其尺寸伸長（或縮短），
去掉外磁場后，其又恢復原來的長度。磁致伸縮效應可用磁致伸縮系數（或應變）λ來描
述，λ＝（lH—lo）／lo，1o為原來的長度，1 H為物質在外磁場作用下伸長（或縮短）后
的長度。
2．磁致伸縮材料主要有三大類：即①是磁致伸縮的金屬與合金，如鎳和金煤（Ni）基
合金（Ni， Ni－Co合金， Ni－Co－Cr合金）和鐵基合金（如 F e— Ni合金， Fe－Al合
金， Fe－Co－V合金等）；②是鐵氧體磁致伸縮材料，如 Ni－Co和Ni－Co－Cu鐵氧體材
料等。前兩種稱為傳統磁致伸縮材料，其λ值（在20—80ppm之間）過小，它們沒有得到推
廣應用，后來人們發現了電致伸縮材料，如（ Pb， Zr，Ti）C03材料，（簡稱為 P ZT或
稱壓電陶瓷材料），其電致伸縮系數比金屬與合金的大約200~400ppm，它很快得到廣泛應
用；③近期發展了稀土金屬間化合物磁致伸縮材料，稱為稀土超磁致伸縮材料。
3．稀土超磁致伸縮材料：以（Tb，Dy）Fe2化合物為基體的合金Tb0．3Dy0．7Fe1．
95材料（Tb －Dy－Fe材料）的λ達到1500~2000ppm，比磁致伸縮的金屬與合金和鐵氧體磁
致伸縮材料的λ大1~2個數量級，因此稱為稀土超磁致伸縮材料。
磁致伸縮現象
大家知道物質有熱脹冷縮的現象。除了加熱外，磁場和電場也會導致物體尺寸的伸長
或縮短。鐵磁性物質在外磁場作用下，其尺寸伸長（或縮短），去掉外磁場后，其又恢復
原來的長度，這種現象稱為磁致伸縮現象（或效應）。另外有些物質（多數是金屬氧化物
）在電場作用下，其尺寸也伸長（或縮短），去掉外磁場后又恢復其原來的尺寸，這種現
象稱為電致伸縮現象。磁致伸縮效應可用磁致伸縮系數（或應變）λ來描述，λ＝（lH—l
o）／lo， lo為原來的長度，1 H為物質在外磁場作用下伸長（或縮短）后的長度。一般鐵
磁性物質的λ很小，約百萬分之一，通常用 p pm代表。例如金屬鎳（Ni）的λ約40ppm。
磁致伸縮材料
自從發現物質的磁致伸縮效應后，人們就一直想利用這一物理效應來制造有用的功能
器件與設備。為此人們研究和發展了一系列磁致伸縮材料，主要有三大類：即：磁致伸縮
的金屬與合金，如鎳和金煤（Ni）基合金（Ni， Ni－Co合金， Ni－Co－Cr合金）和鐵基
合金（如 F e－Ni合金， Fe－Al合金， Fe－ Co－V合金等）和鐵氧體磁致伸縮材料，如
N i－Co和 Ni－Co－Cu鐵氧體材料等。這兩種稱為傳統磁致伸縮材料，其λ值（在20—80p
pm之間）過小，它們沒有得到推廣應用，后來人們發現了電致伸縮材料，如（ Pb， Zr，T
i）C03材料，（簡稱為 P ZT或稱壓電陶瓷材料），其電致伸縮系數比金屬與合金的大約20
0~400ppm，它很快得到廣泛應用；第三大類是近期發展的稀土金屬間化合物磁致伸縮材料
，例如以（ Tb，Dy）Fe
2化合物為基體的合金
Tbo0．3Dy0．7Fe1．95材料（下面簡稱 T b－Dy— Fe材料）的λ達到1500~2000ppm，
比前兩類材料的λ大1~2個數量級，因此稱為稀土超磁致伸縮材料。
特點
和傳統超磁致伸縮材料及壓電陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸縮材料是佼佼者，
它具有下列優點：磁致伸縮應變λ比純Ni大50倍，比PZT材料大5—25倍，比純 N i和
Ni－Co合金高400~800倍，比PZT材料高14~30倍；磁致伸縮應變時產生的推力很大，直徑約
l0mm的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸縮時產生約200公斤的推力：能量轉換效率（用機電
耦合系數 K33表示）高達70％，而 Ni基合金僅有16％，PZT材料僅有40~60％；其彈性模量
隨磁場而變化，可調控；響應時間（由施加磁場到產生相應的應變λ所需的時間稱響應時
間）僅百萬分之一秒，比人的思維還快；頻率特性好，可在低頻率（幾十至1000赫茲）下
工作，工作頻帶寬；穩??性好，可靠性高，其磁致伸縮性能不隨時間而變化，無疲勞，無
過熱失效問題。
技術上的應用
由于磁致伸縮材料在磁場作用下，其長度發生變化，可發生位移而做功或在交變磁場
作用可發生反復伸張與縮短，從而產生振動或聲波，這種材料可將電磁能（或電磁信息）
轉換成機械能或聲能（或機械位移信息或聲信息），相反也可以將機械能（或機械位移與
信息）。轉換成電磁能（或電磁信息），它是重要的能量與信息轉換功能材料。它在聲納
的水聲換能器技術，電聲換能器技術、海洋探測與開發技術、微位移驅動、減振與防振、
減噪與防噪系統、智能機翼、機器人、自動化技術、燃油噴射技術、閥門、泵、波動采油
等高技術領域有廣泛的應用前景。
海洋占地球面積的70％，海洋是人類生命的源泉，但是人類對海洋的大部分還缺乏了
解。21世紀是海洋世紀，人類的生活、科學實驗和資源的獲及將逐漸的從山陸地轉移到海
洋。而艦艇水下移動通訊、海水溫度、海流、海底地形地貌的探測就需要聲納系統。聲納
是一個龐大的系統，它包括聲發射系統，反射聲的接收系統，將回聲信息轉變成電信息與
圖像，以及圖像識別系統等。其中聲發射系統中的水聲發射換能器及其材料是關鍵技術之
一。過去聲納的水聲發射換能器主要用壓電陶瓷材料（PZT）來制造。這種材料制造的水聲
換能器的頻率高（20kHz以上），同時發射功率小，體積大，笨重。另外隨艦艇隱身技術的
發展，現代艦艇可吸收頻率在3．0kHz以上的聲波，起到隱身的作用。各工業發達國家都正
在大力發展低頻（頻率為幾十至2000赫茲），大功率（聲源級約220dB）的聲納用或水聲對
抗用發射水聲換能器，并已用于裝備**。低頻可打破敵方艦艇的隱身技術，大功率可探
測更遠距離的目標，同時體積小，重量輕，可提高艦艇的作戰能力。低頻大功率是聲納用
和水聲對抗用發射水聲換能器今后的發展方向。而制造低頻大功率水聲發射換能器的關鍵
材料是稀土超磁致伸縮材料。發展稀土超磁致伸縮材料對發展聲納技術、水聲對抗技術、
海洋開發與探測技術將起到關鍵性作用。日本已用稀土超磁致伸縮材料來制造海洋聲學斷
層分析系統 O AT （Ocean Acoustic Topography）和海洋氣候聲學溫度測量系統 A TOC
（The Acoustic Thermometry of Ocean climate）的水聲發射換能器，其信號可發射到10
00km的范圍，可用于測量海水溫度和海流的分布圖。
稀土超磁致伸縮材料在聲頻和超聲技術方面也有廣闊的應用前景。例如用該材料可制
造超大功率超聲換能器。過去的超聲換能器主要是用壓電陶瓷（PZT）材料來制造。它僅能
制造小功率（≤2．0kW）的超聲波換能器，國外已用稀土超磁致伸縮材料來制造出超大功
率（6—25kW）的超聲波換能器。超大功率超聲波技術可產生低功率超聲技術所不能產生的
新物理效應和新的用途，如它可使廢舊輪胎脫硫再生，可使農作物大幅度增產，可加速化
工過程的化學反應。有重大的經濟、社會和環保效益；用該材料制造的電聲換能器，可用
于波動采油，可提高油井的產油量達20％~100％，可促進石油工業的發展；用該材料制造
的薄型（平板型）喇叭，振動力大，音質好，高保真，可使樓板、墻體、桌面、玻璃窗振
動和發音，可作水下音樂、水下芭蕾伴舞的喇叭等。
此外，用該材料可制造反噪聲與噪聲控制，反振動與振動控制系統。將一個咖啡杯人
力反噪聲控制器安裝在與引擎推進器相連接的部件內，使它與噪聲傳感器聯接，可使運載
工具的噪聲降低到使旅客感到舒服的程度（≤20dB）以下。反振動與減振器應用到運載工
具，如汽車等，可使汽車振動減少到令人舒服的程度。
用稀土超磁致伸縮材料制造的微位移驅動器，可用于機器人、自動控制、超精密機械
加工、紅外線、電子束、激光束掃描控制、照相機快門、線性電機、智能機翼、燃油噴射
系統、微型泵、閥門、傳感器等等。
有專家認為，稀土超磁致伸縮材料的應用可誘發一系列的新技術，新設備，新工藝。
它是可提高一個國家競爭力的材料，是21世紀戰略性功能材料。