磁致伸缩是一种物理现象。某些材料在磁场中会改变自己的形状。它们会变长或者变短。这种现象很有用。人们利用它制造传感器和换能器。我们的研究就是关于这个现象。我们想理解它。我们想利用它。

材料内部有很多小磁铁。这些小磁铁叫做磁畴。没有磁场时它们方向杂乱。材料整体没有磁性。加上磁场后小磁铁转向磁场方向。材料整体出现磁性。这个过程中材料形状改变。这就是磁致伸缩。有的材料伸长。有的材料缩短。不同材料效果不同。

我们选择一种合金材料。这种材料由铁、镓和稀土元素组成。它的磁致伸缩效应很强。很小的磁场就能产生很大形变。我们把它做成薄片形状。薄片长度五厘米宽度一厘米厚度一毫米。我们在薄片表面贴了应变片。应变片可以测量长度变化。我们把薄片放在线圈中间。线圈通电产生磁场。磁场大小可以调节。我们改变电流大小。我们记录磁场强度和材料形变。

实验需要很多步骤。首先准备样品。样品表面要光滑。不能有划痕和油污。我们使用酒精清洗样品。然后安装应变片。应变片用胶水粘在样品表面。引线要焊接牢固。线圈是铜线绕成的。线圈内径比样品大。样品在线圈中间位置。磁场才会均匀。

开始测量。打开电源。电流从零开始增加。磁场慢慢变大。样品开始伸长。应变片的读数变化。我们记录每个电流对应的形变。电流增加到最大值。然后慢慢减小。样品慢慢缩短。我们记录数据。我们重复这个过程。我们做了十次测量。数据很接近。说明实验可靠。

我们发现形变和磁场不是直线关系。磁场小时形变增加快。磁场大时形变增加慢。最后形变不再增加。这叫饱和现象。材料伸长到了极限。所有小磁铁都转向磁场方向。再加大磁场也没有用。

我们还研究了温度的影响。温度变化材料性能会变。我们把样品放在加热台上。温度从室温升到一百摄氏度。在每个温度下重复测量。温度升高磁致伸缩效应变小。材料变软小磁铁更容易转动。但饱和形变反而变小。高温下原子振动剧烈。阻碍小磁铁整齐排列。

材料在不同方向形变不同。我们切割了不同方向的样品。沿着轧制方向的样品形变大。垂直于轧制方向的样品形变小。材料内部有织构。小磁铁容易沿着某个方向转动。这个方向就是轧制方向。

我们观察了微观结构。使用扫描电子显微镜看样品表面。我们看到晶粒和晶界。晶粒大小约五十微米。晶界清晰可见。磁畴在晶粒内部。我们使用磁力显微镜观察磁畴。没有磁场时磁畴条纹交错。加上磁场后磁畴条纹变整齐。大部分磁畴沿着磁场方向。

理论分析很重要。我们使用能量最小原理。材料总能量包括磁能弹性能。磁能是小磁铁在磁场中的能量。弹性能是材料形变储存的能量。两个能量互相竞争。材料选择总能量最小的状态。这个状态决定形变大小。

我们推导了数学公式。公式包含磁场强度材料参数。材料参数有饱和磁致伸缩常数杨氏模量磁各向异性常数。我们测量这些参数。我们把实验数据和理论计算比较。两者符合得很好。说明理论模型正确。

这项研究有很多应用。磁致伸缩材料可以制造精密仪器。例如微位移平台。控制电流就能控制位移。位移精度达到纳米级。可以用于光学调整芯片制造。

另一个应用是水声换能器。在水下发射声波。声波遇到物体反射。接收回声判断物体位置。磁致伸缩材料振动产生声波。效率高功率大。用于海洋勘探水下通信。

还可以制造传感器。测量力压力加速度。磁场变化导致材料形变。材料形变引起电信号变化。测量电信号就知道外力大小。这种传感器结构简单寿命长。

我们研究了材料疲劳。材料反复形变会损坏。我们让样品振动一百万次。振动后测量磁致伸缩性能。性能下降百分之五。微观观察发现微裂纹。裂纹在晶界处产生。晶界是薄弱环节。

我们尝试改进材料。添加少量碳元素。碳元素细化晶粒。晶粒变小晶界变多。裂纹不容易扩展。疲劳寿命提高一倍。但饱和磁致伸缩略有下降。需要权衡利弊。

我们测试了不同稀土元素。钕镝铽钐。钕的效果最好。钕原子磁矩大。增强磁致伸缩效应。镝和铽提高使用温度。钐降低成本。可以根据需要选择。

我们制作了一个演示装置。装置有磁致伸缩棒线圈电源位移传感器。连接电脑显示数据。改变电流棒长度变化。实时显示形变曲线。用于教学和展示。

这项研究还有很多工作要做。我们需要研究动态性能。高频磁场下的响应。需要研究复合材料。聚合物中加入磁致伸缩颗粒。需要研究薄膜材料。用于微机电系统。

磁致伸缩研究很有意义。它连接物理和工程。它连接材料和设备。我们理解自然现象。我们创造有用技术。我们的工作只是开始。未来会有更多发现。