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磁致伸缩
日期：2024-04-26 12:01
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摘要：
21世纪的战略性功能材料●军民两用高技术领域有广阔的
21世纪的战略性功能材料
●军民两用高技术领域有广阔的应用前景
●预计2010年销售额可达18亿美元
磁致伸缩的应用越来越广泛，适应
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**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**。美国
**表面武器实验室于1987年将该**技术转让给美国阿依华州 A mes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 G ibson和Verh
oeven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**。北京科技大学经系统的研究优化了成分，采用与美国**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**，其中**项**名称为稀土超磁致伸缩材料，**号为： Z
L93106941．6，1993年6月生效，有效期20年；**项发明**名称为：稀土超磁致伸缩材
料及制造工艺，**号为： Z L98101191．8，2001年5月2日生效，有限期20年。
美国 G ibson和Verhoeven等人的**和北京科技大学周寿增等人的**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**。
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**表面武器实验室的 A．C．Clark博士等人发明。随后美国的 G
ibson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。
北京科技大学经系统的研究优化了成分、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。该校自20世纪80年代末开始对稀土超磁致伸缩材料
进行研究。经过近十年的研究，现已掌握了材料的成分、添加元素、制造工艺、热处理等
关键技术。特别是他们自己发明创造的生产＜110＞轴向取向材料的技术，使制造的产品在
低磁场下具有高的磁致伸缩性能，在40kA／m的磁场下，应变值达到950~1150ppm，达到国
际先进水平。这种具有＜110＞轴向取向的稀土超磁致伸缩材料及制造工艺已获得国家**
。＜110＞轴向取向稀土超磁致伸缩材料的研制在国内外具有重大**性，并且取得了显著
社会效益和经济效益。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201
0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 P ZT或
称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约200~400ppm，它很快得到广泛应
用；③近期发展了稀土金属间化合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材料。
3．稀土超磁致伸缩材料：以（Tb，Dy）Fe2化合物为基体的合金Tb0．3Dy0．7Fe1．
95材料（Tb －Dy－Fe材料）的λ达到1500~2000ppm，比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁
致伸缩材料的λ大1~2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。
磁致伸缩现象
大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长
或缩短。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，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。另外有些物质（多数是金属氧化物
）在电场作用下，其尺寸也伸长（或缩短），去掉外磁场后又恢复其原来的尺寸，这种现
象称为电致伸缩现象。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）λ来描述，λ＝（lH—l
o）／lo， lo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。一般铁
磁性物质的λ很小，约百万分之一，通常用 p pm代表。例如金属镍（Ni）的λ约40ppm。
磁致伸缩材料
自从发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能
器件与设备。为此人们研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主要有三大类：即：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）和铁氧体磁致伸缩材料，如
N i－Co和 Ni－Co－Cu铁氧体材料等。这两种称为传统磁致伸缩材料，其λ值（在20—80p
pm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，T
i）C03材料，（简称为 P ZT或称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约20
0~400ppm，它很快得到广泛应用；第三大类是近期发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料
，例如以（ Tb，Dy）Fe
2化合物为基体的合金
Tbo0．3Dy0．7Fe1．95材料（下面简称 T b－Dy— Fe材料）的λ达到1500~2000ppm，
比前两类材料的λ大1~2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。
特点
和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸缩材料是佼佼者，
它具有下列优点：磁致伸缩应变λ比纯Ni大50倍，比PZT材料大5—25倍，比纯 N i和
Ni－Co合金高400~800倍，比PZT材料高14~30倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约
l0mm的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力：能量转换效率（用机电
耦合系数 K33表示）高达70％，而 Ni基合金仅有16％，PZT材料仅有40~60％；其弹性模量
随磁场而变化，可调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时
间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下
工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无
过热失效问题。
技术上的应用
由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场
作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）
转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移与
信息）。转换成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转换功能材料。它在声纳
的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、
减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油
等高技术领域有广泛的应用前景。
海洋占地球面积的70％，海洋是人类生命的源泉，但是人类对海洋的大部分还缺乏了
解。21世纪是海洋世纪，人类的生活、科学实验和资源的获及将逐渐的从山陆地转移到海
洋。而舰艇水下移动通讯、海水温度、海流、海底地形地貌的探测就需要声纳系统。声纳
是一个庞大的系统，它包括声发射系统，反射声的接收系统，将回声信息转变成电信息与
图像，以及图像识别系统等。其中声发射系统中的水声发射换能器及其材料是关键技术之
一。过去声纳的水声发射换能器主要用压电陶瓷材料（PZT）来制造。这种材料制造的水声
换能器的频率高（20kHz以上），同时发射功率小，体积大，笨重。另外随舰艇隐身技术的
发展，现代舰艇可吸收频率在3．0kHz以上的声波，起到隐身的作用。各工业发达国家都正
在大力发展低频（频率为几十至2000赫兹），大功率（声源级约220dB）的声纳用或水声对
抗用发射水声换能器，并已用于装备**。低频可打破敌方舰艇的隐身技术，大功率可探
测更远距离的目标，同时体积小，重量轻，可提高舰艇的作战能力。低频大功率是声纳用
和水声对抗用发射水声换能器今后的发展方向。而制造低频大功率水声发射换能器的关键
材料是稀土超磁致伸缩材料。发展稀土超磁致伸缩材料对发展声纳技术、水声对抗技术、
海洋开发与探测技术将起到关键性作用。日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断
层分析系统 O AT （Ocean Acoustic Topography）和海洋气候声学温度测量系统 A TOC
（The Acoustic Thermometry of Ocean climate）的水声发射换能器，其信号可发射到10
00km的范围，可用于测量海水温度和海流的分布图。
稀土超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景。例如用该材料可制
造超大功率超声换能器。过去的超声换能器主要是用压电陶瓷（PZT）材料来制造。它仅能
制造小功率（≤2．0kW）的超声波换能器，国外已用稀土超磁致伸缩材料来制造出超大功
率（6—25kW）的超声波换能器。超大功率超声波技术可产生低功率超声技术所不能产生的
新物理效应和新的用途，如它可使废旧轮胎脱硫再生，可使农作物大幅度增产，可加速化
工过程的化学反应。有重大的经济、社会和环保效益；用该材料制造的电声换能器，可用
于波动采油，可提高油井的产油量达20％~100％，可促进石油工业的发展；用该材料制造
的薄型（平板型）喇叭，振动力大，音质好，高保真，可使楼板、墙体、桌面、玻璃窗振
动和发音，可作水下音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。
此外，用该材料可制造反噪声与噪声控制，反振动与振动控制系统。将一个咖啡杯人
力反噪声控制器安装在与引擎推进器相连接的部件内，使它与噪声传感器联接，可使运载
工具的噪声降低到使旅客感到舒服的程度（≤20dB）以下。反振动与减振器应用到运载工
具，如汽车等，可使汽车振动减少到令人舒服的程度。
用稀土超磁致伸缩材料制造的微位移驱动器，可用于机器人、自动控制、超精密机械
加工、红外线、电子束、激光束扫描控制、照相机快门、线性电机、智能机翼、燃油喷射
系统、微型泵、阀门、传感器等等。
有专家认为，稀土超磁致伸缩材料的应用可诱发一系列的新技术，新设备，新工艺。
它是可提高一个国家竞争力的材料，是21世纪战略性功能材料。
●军民两用高技术领域有广阔的应用前景
●预计2010年销售额可达18亿美元
磁致伸缩的应用越来越广泛，适应
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**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**。美国
**表面武器实验室于1987年将该**技术转让给美国阿依华州 A mes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 G ibson和Verh
oeven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**。北京科技大学经系统的研究优化了成分，采用与美国**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**，其中**项**名称为稀土超磁致伸缩材料，**号为： Z
L93106941．6，1993年6月生效，有效期20年；**项发明**名称为：稀土超磁致伸缩材
料及制造工艺，**号为： Z L98101191．8，2001年5月2日生效，有限期20年。
美国 G ibson和Verhoeven等人的**和北京科技大学周寿增等人的**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**。
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**表面武器实验室的 A．C．Clark博士等人发明。随后美国的 G
ibson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。
北京科技大学经系统的研究优化了成分、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。该校自20世纪80年代末开始对稀土超磁致伸缩材料
进行研究。经过近十年的研究，现已掌握了材料的成分、添加元素、制造工艺、热处理等
关键技术。特别是他们自己发明创造的生产＜110＞轴向取向材料的技术，使制造的产品在
低磁场下具有高的磁致伸缩性能，在40kA／m的磁场下，应变值达到950~1150ppm，达到国
际先进水平。这种具有＜110＞轴向取向的稀土超磁致伸缩材料及制造工艺已获得国家**
。＜110＞轴向取向稀土超磁致伸缩材料的研制在国内外具有重大**性，并且取得了显著
社会效益和经济效益。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201
0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 P ZT或
称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约200~400ppm，它很快得到广泛应
用；③近期发展了稀土金属间化合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材料。
3．稀土超磁致伸缩材料：以（Tb，Dy）Fe2化合物为基体的合金Tb0．3Dy0．7Fe1．
95材料（Tb －Dy－Fe材料）的λ达到1500~2000ppm，比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁
致伸缩材料的λ大1~2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。
磁致伸缩现象
大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长
或缩短。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，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。另外有些物质（多数是金属氧化物
）在电场作用下，其尺寸也伸长（或缩短），去掉外磁场后又恢复其原来的尺寸，这种现
象称为电致伸缩现象。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）λ来描述，λ＝（lH—l
o）／lo， lo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。一般铁
磁性物质的λ很小，约百万分之一，通常用 p pm代表。例如金属镍（Ni）的λ约40ppm。
磁致伸缩材料
自从发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能
器件与设备。为此人们研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主要有三大类：即：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）和铁氧体磁致伸缩材料，如
N i－Co和 Ni－Co－Cu铁氧体材料等。这两种称为传统磁致伸缩材料，其λ值（在20—80p
pm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，T
i）C03材料，（简称为 P ZT或称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约20
0~400ppm，它很快得到广泛应用；第三大类是近期发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料
，例如以（ Tb，Dy）Fe
2化合物为基体的合金
Tbo0．3Dy0．7Fe1．95材料（下面简称 T b－Dy— Fe材料）的λ达到1500~2000ppm，
比前两类材料的λ大1~2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。
特点
和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸缩材料是佼佼者，
它具有下列优点：磁致伸缩应变λ比纯Ni大50倍，比PZT材料大5—25倍，比纯 N i和
Ni－Co合金高400~800倍，比PZT材料高14~30倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约
l0mm的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力：能量转换效率（用机电
耦合系数 K33表示）高达70％，而 Ni基合金仅有16％，PZT材料仅有40~60％；其弹性模量
随磁场而变化，可调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时
间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下
工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无
过热失效问题。
技术上的应用
由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场
作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）
转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移与
信息）。转换成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转换功能材料。它在声纳
的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、
减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油
等高技术领域有广泛的应用前景。
海洋占地球面积的70％，海洋是人类生命的源泉，但是人类对海洋的大部分还缺乏了
解。21世纪是海洋世纪，人类的生活、科学实验和资源的获及将逐渐的从山陆地转移到海
洋。而舰艇水下移动通讯、海水温度、海流、海底地形地貌的探测就需要声纳系统。声纳
是一个庞大的系统，它包括声发射系统，反射声的接收系统，将回声信息转变成电信息与
图像，以及图像识别系统等。其中声发射系统中的水声发射换能器及其材料是关键技术之
一。过去声纳的水声发射换能器主要用压电陶瓷材料（PZT）来制造。这种材料制造的水声
换能器的频率高（20kHz以上），同时发射功率小，体积大，笨重。另外随舰艇隐身技术的
发展，现代舰艇可吸收频率在3．0kHz以上的声波，起到隐身的作用。各工业发达国家都正
在大力发展低频（频率为几十至2000赫兹），大功率（声源级约220dB）的声纳用或水声对
抗用发射水声换能器，并已用于装备**。低频可打破敌方舰艇的隐身技术，大功率可探
测更远距离的目标，同时体积小，重量轻，可提高舰艇的作战能力。低频大功率是声纳用
和水声对抗用发射水声换能器今后的发展方向。而制造低频大功率水声发射换能器的关键
材料是稀土超磁致伸缩材料。发展稀土超磁致伸缩材料对发展声纳技术、水声对抗技术、
海洋开发与探测技术将起到关键性作用。日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断
层分析系统 O AT （Ocean Acoustic Topography）和海洋气候声学温度测量系统 A TOC
（The Acoustic Thermometry of Ocean climate）的水声发射换能器，其信号可发射到10
00km的范围，可用于测量海水温度和海流的分布图。
稀土超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景。例如用该材料可制
造超大功率超声换能器。过去的超声换能器主要是用压电陶瓷（PZT）材料来制造。它仅能
制造小功率（≤2．0kW）的超声波换能器，国外已用稀土超磁致伸缩材料来制造出超大功
率（6—25kW）的超声波换能器。超大功率超声波技术可产生低功率超声技术所不能产生的
新物理效应和新的用途，如它可使废旧轮胎脱硫再生，可使农作物大幅度增产，可加速化
工过程的化学反应。有重大的经济、社会和环保效益；用该材料制造的电声换能器，可用
于波动采油，可提高油井的产油量达20％~100％，可促进石油工业的发展；用该材料制造
的薄型（平板型）喇叭，振动力大，音质好，高保真，可使楼板、墙体、桌面、玻璃窗振
动和发音，可作水下音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。
此外，用该材料可制造反噪声与噪声控制，反振动与振动控制系统。将一个咖啡杯人
力反噪声控制器安装在与引擎推进器相连接的部件内，使它与噪声传感器联接，可使运载
工具的噪声降低到使旅客感到舒服的程度（≤20dB）以下。反振动与减振器应用到运载工
具，如汽车等，可使汽车振动减少到令人舒服的程度。
用稀土超磁致伸缩材料制造的微位移驱动器，可用于机器人、自动控制、超精密机械
加工、红外线、电子束、激光束扫描控制、照相机快门、线性电机、智能机翼、燃油喷射
系统、微型泵、阀门、传感器等等。
有专家认为，稀土超磁致伸缩材料的应用可诱发一系列的新技术，新设备，新工艺。
它是可提高一个国家竞争力的材料，是21世纪战略性功能材料。