具有磁性的压电陶瓷：压电陶瓷材料与磁致伸缩材料

具有磁性的压电陶瓷：压电陶瓷材料与磁致伸缩材料压电陶瓷材料表1 稀土超磁致伸缩材料和压电陶瓷材料的共性与特性磁致伸缩材料不需要像压电陶瓷一样类似极化的过程，只要有磁场变化就会有伸缩，为了获得更加灵敏的磁致伸缩效果，有的磁致伸缩材料（例如稀土超磁致伸缩材料）会预加一个磁场（偏置磁场）。这个偏置磁场可以用一路励磁线圈实现，也可以加一个永磁体获得。磁致伸缩材料也有一个临界温度，在此温度以上会失去其大的磁致伸缩特性，这个温度一般是该材料的铁磁性/顺磁性转变温度，即居里温度（Tc）。当在使用过程中，温度超过居里温度，再回到室温其大磁致伸缩性能可以恢复，可以继续正常工作，如果偏置磁场采用永磁材料则需要注意这个永磁材料是否失磁，如果失磁了需要磁化。稀土超磁致伸缩材料是目前磁致伸缩系数最大者。下面就比较一下稀土超磁致伸缩材料和压电陶瓷材料的性能特点。稀土超磁致伸缩材料和压电陶瓷材料的共性与特性见表1。

压电陶瓷材料和磁致伸缩材料都是能够将机械能和电能互相转换的功能材料。它们都可以用声传感器、声换能器、超声换能器等。但它们的工作原理、特性以及使用方法有很大区别。本文将介绍它们各自的特性特点和应用特长。

压电陶瓷是一种陶瓷材料，其特点是具有较高的压电效应。什么是压电性能呢？压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指压电陶瓷受到特定方向外力的作用时，在压电陶瓷的正负极上产生相反的电荷，当外力撤去后，又缓慢恢复到不带电的状态；逆压电效应是指在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，压电陶瓷会随之发生形变位移，电场撤去后，形变会随之消失。要使压电陶瓷具有比较大的压磁效应，需要预加一个电场，这个过程叫做电极化。极化前和极化后的性能差别是很大。电极化过程比较复杂，不但需要很高的电场，而且需要在较高的温度下进行极化，因此需要专门的设备。如果在使用过程中温度超过它的临界温度（Tc），会产生失极化，也就说之前的极化获得的效果没了，温度降下来之后还要再重新极化。

磁致伸缩材料一般是金属材料，其特点是具有明显的磁致伸缩性能。

什么叫磁致伸缩性能呢？就是在材料环境磁场发生变化时伸长或缩短。反之，当材料受到力的作用时也会在材料的两端产生磁场，这个逆效应叫做压磁效应。

磁致伸缩材料不需要像压电陶瓷一样类似极化的过程，只要有磁场变化就会有伸缩，为了获得更加灵敏的磁致伸缩效果，有的磁致伸缩材料（例如稀土超磁致伸缩材料）会预加一个磁场（偏置磁场）。这个偏置磁场可以用一路励磁线圈实现，也可以加一个永磁体获得。磁致伸缩材料也有一个临界温度，在此温度以上会失去其大的磁致伸缩特性，这个温度一般是该材料的铁磁性/顺磁性转变温度，即居里温度（Tc）。当在使用过程中，温度超过居里温度，再回到室温其大磁致伸缩性能可以恢复，可以继续正常工作，如果偏置磁场采用永磁材料则需要注意这个永磁材料是否失磁，如果失磁了需要磁化。

稀土超磁致伸缩材料是目前磁致伸缩系数最大者。下面就比较一下稀土超磁致伸缩材料和压电陶瓷材料的性能特点。

稀土超磁致伸缩材料和压电陶瓷材料的共性与特性见表1。

表1 稀土超磁致伸缩材料和压电陶瓷材料的共性与特性

	压电陶瓷材料	稀土超磁致伸缩材料
组成属性	陶瓷（无机非金属材料）	合金（金属间化合物）
生产工艺	陶瓷生产工艺（粉末烧结） 被电极 高压极化	定向凝固工艺
磁（电）致伸缩应变（×10-6）	300-400	1000-2000
导电性	绝缘	导电
导热性	差	好
响应速度	ms（毫秒级）	μs（微秒级）
输出力（N/cm2）	4000-4600	1700-3000
用于大功率超声	不适宜长时间连续工作	可以长时间连续工作
应用	打火机、传感器、超声换能器、声波换能器	超声换能器、声波换能器

图1 陶瓷材料

图2 稀土超磁致伸缩材料

图3 稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩应变曲线