1、太原科技大学毕业设计（论文）材料物理毕业设计Fe-B 磁致伸缩纤维制备及其结构和性能的研究学 院：材料科学与工程学院班 级：材料物理 101401 班姓 名：冯武强学 号：201014020104 指导老师：张克维2014 年 06 月 08 日太原科技大学毕业设计（论文）太原科技大学毕业设计（论文）任务书（由指导教师填写发给学生）学院（直属系）：材料科学与工程学院 时间：2014 年 3 月 12 日学 生 姓 名 冯武强 指 导 教 师 张克维设计（论文）题目 Fe-B 磁致伸缩纤维制备及其结构和性能的研究主要研究内容1、 Fe-B 纤维的表面形貌；2、 Fe-B 纤维的组织结构；3、 F
2、e-B 纤维的热性能 ;4、 Fe-B 纤维的磁性能。研究方法以纯铁和纯硼为原料，采用熔体抽拉法制备不同直径 Fe-B 软磁纤维，然后利用光学显微镜、XRD、VSM、DSC 等分析方法对不同直径的试样进行物相、显微结构、磁性能、热性能的分析。主要技术指标(或研究目标)确定衍射峰角度、结晶温度、矫顽力、剩磁比等参数。太原科技大学毕业设计（论文）教研室意见1 盛智芝, 电化学沉积法制备 Fe-B 磁致伸缩材料的研究D, 太原科技大学, 2012.2 Johnson L. Machel, Wan Jiehui, Huang Shichu. et al. A wireless biosensor us
3、ing microfabricated phage-interfaced magnetoelastic particlesJ Sensors and Actuators A: Physical. 2008, 144 (1): 3847.3 Zhang Kewei, Zhang Lin, Fu Liling et al. Magnetostrictive resonators as sensors and actuatorsJ. Sensors and Actuators A: Physical. 2013, 200 (1): 210.4 Sahingoza Recep, Erola Musta
4、fa, Gibbs R.J. Mike, Observation of changing of magnetic properties and microstructure of metallic glass Fe78Si9B13 with annealingJ, Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2004 271(1): 7478.5 Herzer Giselher, Modern soft magnets: Amorphous and nanocrystalline materialsJ. Acta Materialia. 2013
5、61(3): 718734.教研室主任（专业负责人）签字： 年 月 日说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系） 。太原科技大学毕业设计（论文）目 录摘 要 .IIAbstract.III第一章 绪 论 . 1 1.1 磁致伸缩现象的简介 .11.1.1 磁致伸缩效应产生的原因 . 2 1.1.2 磁致伸缩效应的分类 . 2 1.1.3 铁磁材料的焦耳磁致伸缩效应 . 4 1.2 磁致伸缩材料 . 7 1.3 磁致伸缩材料的应用 . 7 1.4 Fe-B 非晶态磁致伸缩材料及研究进展 . 8 1.5 选题的意义及研究内容 . 9 第二章 熔体抽拉法制备非晶合金纤维材
6、料 . 10 2.1 熔体抽拉法的基本原理 . 10 2.2 实验装置及方法描述 . 10 2.2.1 实验装置 . 10 2.2.2 实验方法 . 11 2.2.3 装置的基本要求 . 12 2.3 Fe-B 材料的制备 . 12 2.4 合金材料制备过程中应注意的几个问题 . 13 第三章 实验仪器及原理分析 . 14 3.1 表面形貌观察 . 14 3.2 X 射线分析仪（XRD）及原理 . 14 3.3 差示扫描量热分析(DSC) . 15 3.4 磁性能研究分析(VSM) . 15 第四章 Fe-B 材料的结构与形貌分析 . 17 4.1 显微镜观察纤维的形貌 . 17 4.2 X
7、射线衍射（XRD）分析 . 18 4.3 差示扫描量热分析（DSC） . 19 4.4 磁性能的分析 . 21 第五章 结 论 . 24 参考文献 . 25 致 谢 . 26 附 录 . 27 太原科技大学毕业设计（论文）Fe-B 磁致伸缩纤维制备及其结构和性能的研究摘 要铁基磁致伸缩材料是一种新型的功能性材料，它具有优良的物理与化学性能，有广阔的应用前景，是重要的能量与信息转换功能材料。是值得开发和利用的一类新型材料 1。本文论述以纯铁和纯硼为原料，采用熔体抽拉法制备不同直径的 Fe80B20 纤维，然后利用 SEM、XRD 、VSM 、DSC 等分析方法对不同直径的试样进行物相、显微结构、
8、磁性能、热性能的分析。最后得出不同直径对该种纤维的各种性能都具有一定的影响。关键词 磁致伸缩，新型功能材料，熔体抽拉法，Fe-B 纤维太原科技大学毕业设计（论文）Fe-B Magnetostrictive fiber preparation and research of structure and performanceAbstract Iron base magnetostrictive material is a new type of functional material, it has excellent physical and chemical properties, has
9、a broad application prospect, is an important energy conversion function and information material.This paper discusses pure iron and pure boron as raw material, adopts the melt pump rafa preparation of different diameter of fibers,then use SEM、XRD 、VSM 、DSC Analysis method of different diameter of s
10、pecimen, phase, microstructure, magnetic, thermal performance analysis. Finally it is concluded that properties of the different diameter of the fiber has certain influence.Keywords magnetostrictive， New type of functional materials ，The melt pump rafa ， Fe - B fiber太原科技大学毕业设计（论文）- 0 -第一章 绪 论1.1 磁致伸
11、缩现象的简介什么是磁致伸缩现象？我们知道物质具有热胀冷缩的现象。除了加热外，在磁场和电场作用下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，其尺寸会伸长（或缩短） ，去掉外磁场后，其尺寸又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应） 。磁致伸缩效应于 19 世纪（1842 年）被英国物理学家詹姆斯.焦耳发现。他观察到，一类铁磁类材料，如：铁，在磁场中会改变长度。焦耳事实上观察到的是具有负向磁致伸缩效应的材料，但从那时起，具有正向磁致伸缩效应的材料也被发现了。磁化引起机械应变，反过来应力也将影响铁磁材料的磁化强度，故亦称为“压磁效应” 。广义的说，磁致伸缩应该包括一切有关磁化强度
12、和应力相互作用的效应 1-2。磁致伸缩的大小可以用磁致伸缩系数来表示，线磁致伸缩系数可表示为=/0 , 0 是材料未磁化状态下的某一给定方向的原始长度， 是形变量。磁致伸缩系数 的大小可正可负，当材料沿着外加磁场伸长时， 为正值，当材料沿着外加磁场收缩时， 为负值。 （如图 1.1）磁致伸缩系数 随着磁场强度H 而变化，形成了材料的磁致伸缩函数 (H)。该函数具有滞后性或者非滞后性，这取决于材料的磁化过程。在绝大多数情况下，(H) 的斜系数要比饱和或工程磁致伸缩常数 s 具有更加重要的意义， s 是在饱和磁场强度 Hs 下最大的应变系数。其中,(H)的斜系数和 e=s/HS (ppm Oe-1
13、)是表征材料产生磁致弹性波的重要参数。对于“零”磁致伸缩材料 s 的取值可小到 s=10-7，对于巨磁致伸缩材料 s 的取值可大到 s=10-31-3。体积磁致伸缩系数定义为 W=V/V,V 为铁磁体原来的体积，V 为磁化后的体积变化量。除因瓦合金具有较大的体积磁致伸缩系数外，其他的铁磁体的体积磁致伸缩系数都十分小，其数量级约为 10-10-10-8。在一般的铁磁体中，仅在自发或顺磁化过程（即 Ms 变化时）才有体积磁致伸缩发生。当磁场强度小于饱和磁场强度 Hs，只有线磁致伸缩，而体积磁致伸缩十分微小。太原科技大学毕业设计（论文）- 1 -图 1.1 磁致伸缩系数示意图1.1.1 磁致伸缩效应
14、产生的原因在外磁场作用下一类材料会伸长，另一类材料会缩短，对于这两类材料来说，磁致伸缩效应产生的原因是相似的。小磁畴的旋转被认为是磁致伸缩效应改变长度的原因。磁畴旋转以及重新定位导致了材料结构的内部应变。结构内部的应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于正向磁致伸缩效应） 。在此伸展过程中，总体积基本保持不变，材料横截面积减小。总体积的改变很小，在正常运行条件下可以被忽略。增强磁场可以使越来越多的磁畴在磁场方向更为强烈和准确的重新定位。所有磁畴都沿磁场方向排列整齐即达到饱和状态，因而产生磁致伸缩效应。从磁体的磁畴结构变化来看，材料的磁致伸缩效应是其内部的各个磁畴形变的外观表现 3-6。1.1.2
15、磁致伸缩效应的分类 磁致弹性学是一门处理磁性材料磁学性能和弹性性能的学科。磁致弹性效应分为正磁致弹性效应和逆磁致弹性效应。正磁致弹性效应指的是某种磁性材料的尺寸和形状能够随着磁化强度的大小和方向而产生变化，即所谓的磁致伸缩。反之，某种材料的磁性能随着所施加的机械应力而变化，称之为逆磁致弹太原科技大学毕业设计（论文）- 2 -性效应。磁致伸缩效应其与多种物理现象相关联。通常来说，磁致伸缩效应是机械能与电磁能之间的一种可逆能量转化。磁致伸缩材料因为其能够将能量从一种形式转化为另一种形式，从而在作动器和传感器中获得了应用。在实际应用中主要有以下几种磁致弹性效应 5-6。焦耳效应，这是指磁致伸缩材料沿
16、着外加磁场方向延伸或压缩的一种现象。（如图 1.2） 。这种效应被广泛应用于磁致伸缩作动器中。磁致伸缩是一种可逆的材料特性。在磁场较弱的区域，试件形状即恢复至其原始尺寸。Terfenol-D材料的比例在 1500ppm 范围之上，在共振频率下，可以达到 4000ppm 之上。长度的增加（纵向应变）或直径的缩小（周向应变）大致与应用的磁场成比例，这种作动器机理可以被用于多种用途的。图 1.2 焦耳磁致伸缩效应（a）在磁场作用下材料形状的变化 （b）磁致伸缩系数与磁场的关系维拉利效应，这种效应基于这样的现象。当外力施加于试件，穿过试件磁通密度由于磁场的产生而发生改变。磁通密度的改变量可以被拾波线圈
17、所检测，同时还与所加外力的大小相关。维拉利效应是可逆的，并被应用于传感器。E 效应，这一种磁致伸缩效应是基于这样的一种现象。由于磁场的存在，试件弹性模量发生了改变。Terfenol-D 材料的比例大于 5，因此被用于振动控制以及宽带声纳系统。由于弹性模量改变，磁致伸缩材料内部的声速发生了改变，太原科技大学毕业设计（论文）- 3 -而这种改变可以被检测到。魏德曼效应，也是一种相关的效应。这种现象的背景与焦耳效应相似。只是，在磁场作用下，铁磁试件扭转位移所带来的切应变，代替了拉压应力-正应变的形式。马陶西效应，这种效应魏德曼效应的逆效应。在线圈中通入交流电，产生纵向磁场，这也反过来在试件中产生磁通
18、密度。已有的交变磁通可以被另一个线圈所探测，拾波线圈可以测量磁通密度的变化率。扭转铁磁试件导致了试件的磁性变化，从而导致了磁通密度变化率的改变。通过拾波线圈测试磁性改变，可以估测切应力的改变，进一步可以计算外加扭矩的大小。马陶西效应在铁磁性试件引入永磁偏置后得以完善，这一效应被用于传感器。巴瑞特效应，在特定的极端运行条件下，材料体积会随磁场而改变。例如，镍在 80Ka/m 的体积改变率只有 10-7。由于磁场而变化的体积太过微小，以至于在通常工作状态下，可以被忽略。长冈-本田效应， 巴瑞特效应的逆效应，由于静压力而导致的试件体积变化，改变了磁场的状况。1.1.3 铁磁材料的焦耳磁致伸缩效应在没
19、有外加磁场的时候，铁磁材料的内部会形成自发的磁畴。外加磁场 H引起了材料的磁感应强度 B 和材料的磁化强度 M，它们之间有如下的关系:B=0H (1-1)B=0(H+M) (1-2)M=(-1)H (1-3)式中 为材料磁导率， 0 为材料的真空磁导率。在外加磁场的作用下，铁磁材料的磁化会形成一个滞后环， （如图 1.3） 。当材料内部所有的磁畴都沿着外磁场方向对齐时，材料达到了技术饱和磁化 Ms。当外磁场强度减少到 0 时，某些磁畴仍然沿着磁化方向对齐，材料中存在剩余磁化 Mr。通过施加反向的磁场 Hc，剩余磁化能被消除，该磁场为矫顽磁场。（如图 1.3）中虚线部分是指没有滞后情况下的 M 和 H 的关系，此时 Mr 和 Hc都为 0。具有较小的 Mr 和 Hc 的材料称为软磁材料。软磁材料的 M-H 环很小，dM/dH 的斜系数很陡，这有利于减小能量损耗和增大输出。要发展高效的声波
