Tb-Dy-Fe超磁致伸缩合金：一种革命性的新材料

Tb-Dy-Fe超磁致伸缩合金：一种革命性的新材料

Tb-Dy-Fe超磁致伸缩合金是一种具有极高磁致伸缩效应的新型材料，其磁致伸缩系数可达到1500-2000ppm，远高于传统磁致伸缩材料和压电陶瓷材料。这种材料在军事、精密控制、集成电路等领域具有广泛的应用前景。

磁致伸缩现象是指铁磁性物质在外磁场作用下产生尺寸变化的现象。一般铁磁性物质的磁致伸缩系数λ很小，约百万分之一，通常用ppm代表。例如金属镍（Ni）的λ约40ppm。

磁致伸缩材料主要有三大类：

1. 磁致伸缩的金属与合金，如镍和（Ni）基合金（Ni，Ni－Co合金，Ni－Co－Cr合金）和铁基合金（如Fe—Ni合金，Fe－Al合金，Fe－Co－V合金等）；
2. 铁氧体磁致伸缩材料，如Ni－Co和Ni－Co－Cu铁氧体材料等；
3. 稀土超磁致伸缩材料（GMM），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，比传统磁致伸缩材料的λ大1—2个数量级。

Tb-Dy-Fe合金具有以下优点：

• 磁致伸缩应变λ比纯Ni大50倍，比PZT材料大5—25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；
• 能量转换效率高达70％，而Ni基合金仅有16％，PZT材料仅有40—60％；
• 弹性模量随磁场变化可调控，响应时间仅百万分之一秒；
• 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，磁致伸缩性能不随时间变化，无疲劳，无过热失效问题。

该材料目前存在的问题：

• 材料成本高
• 稀土元素容易氧化，熔炼过程烧损问题
• Tb-Dy-Fe合金脆性大、机加工性能差

Tb-Dy-Fe合金当前应用：

• 军事领域：制作水声声纳、飞机机翼控制、导弹制导系统等
• 高精密度控制：超精密机床、机器人、主动减振系统、线性马达、高速阀门、伺服阀、汽车燃油电喷阀、超声清洗、打孔、破碎、超声医疗器具、各种精密仪器、计算机光盘驱动器、打印机等
• 集成电路制作：制作精密定位系统
• 民用领域：照相机快门、编织驱动器、助听器、高保真喇叭、超声洗衣机、家用机器人等

Tb-Dy-Fe合金目前制备和研究的方法：

稀土超磁致伸缩材料的制备技术主要采用定向凝固方法和粉末冶金方法。近年来，定向凝固法通过增加母合金中稀土元素含量，弥补制作过程中的稀土烧损；控制温度梯度和热流方向，采用适当的退火工艺，改进组织结构；同时不断改进制作设备。2003年北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心自行研究开发了“一步法”新工艺，将熔炼－定向凝固－热处理等工序在一台设备上连续完成，可用来制备大直径、高性能、低成本的稀土超磁致伸缩材料，且易于批量生产。用这种工艺研制的稀土超磁致伸缩材料成本仅为国际售价的18%，现已成功生产出直径70mm，长250mm的TbDyFe2超磁致伸缩棒材，主要技术经济指标均达到国际先进水平。武汉理工大学首创了以提拉法无污染磁悬浮冷坩埚技术为核心的整套单晶制备和加工新技术，生产的Tb0.3Dy0.7Fe1.9单晶，超磁致伸缩系数为2000×10-6～2400×10-6。

粉末冶金方法也在不断改进，国外粘结磁致伸缩材料的磁性能已接近定向凝固棒材，Sandual等学者制作的