高磁致伸縮合金

具有大的飽和磁致伸縮(λ≥30×10-6)的合金，簡稱磁致伸縮合金。主要用於製作聲學裝置。物體磁化時發生的尺寸變化稱為磁致伸縮，通常是指物體在磁化方向上的相對長度變化，並以λ＝Δ嫧嫧/嫧來表示，式中嫧為物體未磁化時的長度，Δ嫧為磁化時的長度變化。λ是磁場強度H的函數（圖1），在飽和磁化下所產生的磁致伸縮稱為飽和磁致伸縮。

1842年焦耳 (J.P.Joule)首先發現鐵在磁化時沿磁化方向的長度增大而在垂直方向縮短，即磁致伸縮現象。1882年巴雷特（W.F.Barret）發現，鎳在所有磁場下都收縮。1920年和1927年日本本多光太郎和增本量等先後研究了Fe-Co合金和Co-Ni合金的磁致伸縮。1929年皮爾斯（G.W.Pierce）首先用磁致伸縮合金製作高頻聲波發生器。1950年薩斯曼(H.Sussman)等人報道了 Fe-Co-Cr(Hiperco) 合金換能器特性。同年增本量等研究了稱為Alfer的Fe-Al合金的動態磁致伸縮特性。1953年美國納赫曼(J.F.Nachman)等發展了稱為Alfenol的熱軋或溫軋、冷軋的Fe-Al合金。1956年戴維斯(C.M.Davis)等研究了含Ni35～67.5％的 Ni-Fe合金的磁致伸縮特性。1956年和1961年美國克拉克（C.A.Clark）研究了Ni-Co合金和Ni-Co-Cr合金的動態磁致伸縮特性。70年代初美國庫恩(N.C.Koon)和克拉克(A.E.Clark)等發展了稀土(R)鐵高磁致伸縮合金，後來還出現了過渡族金屬類金屬非晶態高磁致伸縮合金，但還處於實驗研究階段。

表中λs為飽和磁致伸縮，是這一類合金的基本參量，一般都大於30×10-6。磁致伸縮合金主要用於將磁能轉換成機械能，因此，另一個重要參量是量度這種轉換效率的機電耦合係數 (k)

式中EH為在恆定磁場H下的彈性模量；μr為有效相對磁導率，常用磁致伸縮合金的機電耦合係數多在0.3～0.5之間。磁致伸縮合金多在較高頻率下工作，所以希望具有較高的電阻率(ρ)。金屬和合金的電阻率均較低，因此使用時多加工成薄片或表面塗絕緣層以降低渦流損耗。液態快冷的鐵基非晶態合金（見非晶態金屬）具有高的飽和磁致伸縮，例如常見的Fe80B15Si5、Fe80P13C7和Fe66Co12Si18B14非晶態合金的λs分別為30×10-6、31×10-6和36×10-6。由於鐵基非晶態合金兼有高的λs和μr，所以k值很高，例如Fe78Si10B12非晶態合金的k在適當的熱處理條件下可達0.68(圖2)。這類合金的機電耦合係數的最大值多在數百毫奧斯特到數奧斯特的偏置磁場下出現，電阻率約150μ·cm，目前只能做成約40μm厚的帶材。RFe2（R表示稀土金屬）合金具有極高的飽和磁致伸縮。例如TbFe2合金,λs≈1753×10-6,為通常磁性合金的10～100倍，是磁致伸縮材料中的最高值。一些RFe2合金的｜λ∥—λ寑｜與外加磁場的關係見圖3。λ∥ 和λ寑 分別為平行和垂直於磁場的磁致伸縮。雖然這類合金具有極高的飽和磁致伸縮，但須在很高的磁場下才能達到飽和值，這就嚴重限制了它的應用。在 TbFe2二元合金的基礎上用其他稀土金屬部分取代Tb，可以降低合金的磁各向異性，形成可以在較低磁場下達到磁致伸縮飽和值的多元合金 (但磁致伸縮數值則低於TbFe2)。例如Tb0.3Dy0.3Fe2(Terfenol-D)合金的λs＝1068×10-6。Tb0.3Dy0.7Fe2合金經1000℃熱處理后，在180Oe時測得機電耦合係數k=0.6。磁致伸縮合金主要以帶材和絲材的形式應用。