磁致伸缩复合材料的原理：磁体受到外磁场磁化时，由于磁畴结构的变化和磁化向量的转动，出现整个物体的线磁致伸缩，磁致伸缩复合材料把磁能转换成机械能。可用来做超声发生器，传动器和传感器等。

发展史

1973年

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

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。