标题：磁致伸缩复合材料
1973年发展史
美国的Clark博士等成功发现了Tb0.27Dy0.73Fe2的磁晶各向异性常数K1≈-0.16×10J/m，多晶材料在2×10kA/m的磁场下就可以饱和磁化，饱和磁致伸缩系数达1000ppm，而单晶饱和磁致伸缩系数λ111=1620ppm，λ100≤100ppm。这种三元稀土化合物现在由美国Edge Technologies公司实现了商业化生产，其商品牌号为Terfenol-D，通用的表达式为TbxDy1-xFe2-y，其中的x, y可以在一定的范围内变化，就有可能获得不同磁致伸缩性能的材料。目前稀土超磁致伸缩材料的应用开发工作在世界上许多公司进行，除美国的Edge Technologies公司外，还有瑞典的FeredynAB公司，日本的Toshiba公司，英国的Johnson Matthey公司等。
与压电材料和传统的磁致伸缩材料相比具有以下特点：Terfenol-D饱和磁致伸缩应变很大，比镍大40~50倍，比PZT压电陶瓷大5~8倍，故在低频下可使得水声换能器获得很高的体积速度和声源级；能量密度高，比镍大400~500倍，比PZT压电陶瓷大10~14倍；磁机械耦合系数大，有利于换能器的宽带高频率工作；声速低，比镍小3倍，约为压电陶瓷的一半，有利于换能器小型化设计；居里点温度高。对大功率而言，即使是瞬间过热都会导致PZT压电陶瓷的永久性极化完全消失，而Terfenol-D工作到居里温度以上只会使其磁致伸缩特性暂时消失，冷却到居里温度以下，其磁致伸缩特性可完全恢复，故无过热失效问题。Terfenol-D与纯镍及PZT压电陶瓷的性能对比如表1所示。
表1 Terfenol-D与纯镍及PZT物理性能对比
性能参数
Terfenol-D
纯镍
压电陶瓷
​Tb0.27Dy0.73Fe1.93
>98%Ni
PZT-4
PZT-8
​杨氏模量(GPa)
26.5
206
113
111
声速(m/s)
1690
4900
4150
4500
居里温度(℃)
387
354
300
300
伸缩系数(×10)
1500~2000
-40
400
250
机电耦合系数
0.72
0.16~0.25
0.68
0.5~0.6
动态伸缩系数(nm/A)
1.7
--
--
--
动态伸缩系数(nm/V)
--
--
0.496
0.225
相对磁导率
9.3
60
--
--
磁弹密度(J/m)
14000~25000
30
960
2500
以Terfenol-D为代表的稀土超磁致伸缩材料自发明以来，其制造工艺不断完善，性能不断提高，成本不断降低，应用领域不断扩大，市场迅速发展，在军民两用高技术领域显示器出广阔的应用前景。然而Terfenol-D 也有许多缺点，如材料的脆性，产生应变需较大的磁场及在高频使用范围中涡流的产生等。材料的脆性限制了较大应力特别是拉应力的应用，如Terfenol-D 在阻尼和能量吸收方面具有显著的特性，在一次循环使用中可以吸收80%的机械能，但材料的较低抗拉强度限制了材料在能量吸收方面的应用；涡流的产生限制了其在高频领域的应用。
为拓宽稀土超磁致伸缩材料使用工作频率，改善其综合机械性能，1983年Clark首先提出了用粘接树脂制备复合材料的方法，但未公开其实验结果。
1994年发展史
瑞典学者Sandlund和英国学者R.Angulo等人分别正式公开提出用粘接法制备超磁致伸缩复合材料GMPC(Giant Magnetostriction Powder Composite)，即用Terfenol-D粉末与聚合物粘结剂混合压制成复合材料。实验证明，非磁致伸缩粘结剂的加入会降低材料的密度和磁致伸缩性能，然而材料的其它性能则得到极大的改善。绝缘性树脂聚合物的加入包围了Terfenol-D颗粒，割断了涡流损耗，同时增大了材料的电阻，从而使其高频性能得到极大的提高；此外复合材料的可加工性能非常好，可以制造成多种复杂形状；材料的拉伸性能也得到一定的改善。最重要的是，复合材料仍可产生巨大的磁致伸缩现象。Roberts 等人的研究工作探讨了该项技术的潜在优越性。Sandlund 等人的研究表明GMPC 的磁致伸缩性能可与Terfenol-D 相抗衡。以Sandlund采用高聚物粘结法制作的牌号为MAGMEK91的超磁致伸缩复合材料为例，其性能与常规的Terfenol-D(MAGMEK86)棒材的性能比较如表2所示。
表2 GMPC与常规的Terfenol-D的性能参数比较
性能参数
GMPC
Terfenol-D
MAGMEK91
MAGMEK86
​饱和磁致伸缩(×10)
1100
1500
抗压强度(MPa)
250
300
抗拉强度(MPa)
120
28
声速(m/s)
1740
1720
杨氏弹性模量(GPa)
22
26.5
密度(×10Kg/m)
7.3
9.1
电阻率(×10Ω·m)
10000
0.6
由表可见GMPC表现出较大的电阻率，说明在高频下其涡流损耗较小；其拉应力是Terfenol-D棒材的4倍，声速较接近，杨氏弹性模量和压应力稍低。同时对Terfenol-D复合材料的磁致伸缩系数、弹性模量以及磁机械耦合系数的研究发现，在低频下，复合材料的磁致伸缩可达到1100ppm，而Terfenol-D棒的饱和磁致伸缩为1500ppm，其饱和磁致伸缩降低了30%。树脂基磁致伸缩材料为人类提供了崭新的智能材料。这已成为Terfenol-D超磁致伸缩材料的一个新的发展方向。
石墨复合材料的磁致伸缩研究
在对聚丙烯/炭黑、聚丙烯/碳纳米管（CNT）、环氧树脂/TbDyFe、TPI/TbDyFe复合材料磁致伸缩性能研究的基础上，对传统的导电橡胶材料TPI/石墨进行了磁致伸缩性能的研究。[1]实验材料及方法反式聚异戊二烯（TPI）用青岛科技大学的产品；石墨用青岛华泰润滑密封科技有限责任公司生产的粉状粒子，平均粒径约为1&micro;m；硅烷偶联剂用南京曙光化工集团有限公司的KH－550，ρ=0.946g/cm；石墨用硅烷偶联剂活化处理后，充分干燥，分别以质量分数10%、30%和50%的含量与TPI在双辊混炼机上混炼，制成TPI/石墨复合材料，用平板硫化机模压成型尺寸大小为20mm×10mm×4mm的试样。
磁致伸缩性能用JDM-28磁致伸缩测量仪测试。[1]结果与讨论磁场强度对复合材料磁致伸缩应变的影响
当磁场强度H不同时，TPI/石墨复合材料在平行和垂直于磁场方向下磁致伸缩饱和应变值不同。图1表示复合材料试样在磁场作用下平行和垂直于磁场方向的磁致伸缩应变饱和值随H不同的变化趋势。
由图1可知，在磁场作用下，复合材料在平行于磁场强度方向以及垂直于磁场方向这两个方向均发生了比较明显的磁致伸缩应变，并且随着磁场强度的增加，复合材料的磁致伸缩饱和应变值逐渐增大。
在0.8T恒定磁场作用下，平行于磁场强度方向的最大磁致伸缩应变饱和值达到1.39×10（139ppm），而垂直于磁场方向的最大饱和应变大约为1.75×10（175ppm）；在1.0T恒定磁场作用下，平行于磁场强度方向的最大磁致伸缩应变饱和值达到1.71×10（171ppm），而垂直于磁场方向的最大饱和应变大约为2.34×10（234ppm）。[1]
磁场作用时间对复合材料磁致伸缩应变的影响
在恒定磁场作用下，TPI/石墨复合材料的磁致应变λ会随着时间的延长而处于持续增大的状态直至最后达到相对的饱和状态，这表明该复合材料的λ不仅与H的大小有关，还和磁场作用时间有关，如图2所示。
由图2 可知，随着磁场作用时间的增大，复合材料的磁致伸缩应变也随之增加，该复合材料较之传统的无机磁致伸缩材料而言具有一定的磁致滞后现象；同时，还可以看出随着石墨粒子的含量的增加，复合材料磁致伸缩应变值也随之增加。[1]结论研究表明，石墨含量分别为10%、30%和50%（质量分数）的TPI/石墨复合材料具有一定的磁致伸缩性能。该复合材料具有较大的磁致伸缩应变，最大的磁致伸缩应变为2.34×10（234ppm），分析认为产生磁致伸缩的主要原因是由于复合材料中的石墨粒子引起的，同时还发现应变本身与磁场强度、作用时间的大小有关。[1]