超磁致伸缩材料性能测量实验
2023-06-17
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第28卷 第12期 2008年12月 物 理 买 验 PHYSICS EXPERIMENTATION V0lI 28 No.12 Dec.,2008 超磁致伸缩材料性能测量实验 陈宜保,王文翰,杨 翔,何元金,王合英,孙文博 (清华大学物理系,北京100084) 摘要:采用比较法和电桥法测量了Terfenol—D样品的磁致伸缩系数,并采用共振法测量了Terfenol—D样品的磁机 械耦合系数.将超磁致伸缩材料特性测量实验引入本科实验教学,可以使学生在近代物理实验课程的学习中接触到材 料科学研究前沿领域的技术与知识,有助于提高学生的创新意识和创新能力,激发学生的学习兴趣. 关键词:超磁致伸缩材料;磁致伸缩系数;磁机械耦合系数 中图分类号:0493.4 文献标识码:A 文章编号:1005—4642(2008)12—0013—03 l 引 言 好,是很好的近代物理实验教学内容・ 超磁致伸缩材料是一种新型稀土磁性功能材 2 实验原理 料,在工业、军事、航空航天甚至日常生活中都有 该实验主要测量Terfenol—D的磁致伸缩系 很重要的应用,世界各主要磁学实验室都在对这 数和纵向伸缩磁机械耦合系数,这是磁致伸缩材 种材料的制备和特性进行着广泛的研究,目前一 料的2个重要的性能参数.磁致伸缩系数反映的 种品牌号为Terfenol-D(Tb。27Dy。.7。Fe1.9)的材料 是材料在磁场作用下长度和体积变化,本实验主 已经可以批量生产,其常温下应变量可以达到 要测量Terfenol—D的线磁致伸缩,其磁致伸缩系 2 000 ̄2 400微应变[1。].为了有效地利用超磁 数常用应变 —at/l。表示,如图1所示,其中zo 致伸缩材料的特性,对其各项特性参数的精确测 为材料的长度,△z为材料长度方向上的伸长量. 量便是该研究领域一个极其重要的方面. 作为实验物理教学中兼顾近代物理理论与现 代高新技术基础相融合的近代物理实验课程,在 教学中应强调物理思想与新技术、新方法的结合t, 重视学生创新能力的培养和发挥.因此,在实验 内容安排上,除了一些经典的近代物理实验内容 图1 铁磁体的线磁致伸缩示意图 外,还应不断关注和物理学相关研究的前沿领域, 及时将一些和物理学密切相关的实验内容和方法 实验系统中采用电阻应变法测量磁致伸缩系 引入到教学之中,让实验内容和实验技术反映科 数.将电阻应变片直接粘贴到样品表面,电阻应 学技术的发展与进步,拓展学生的视野,增强对学 变片是一种将应变变化转变为电阻变化的传感 生实验素质和技能的培养. 器,当样品在磁场中发生应变时,贴在样品表面的 稀土超磁致伸缩材料性能测量实验采用共 应变片随之发生应变,引起应变片的电阻变化,通 振法测量Terfenol-D的纵向伸缩磁机械耦合系 过测量电阻的变化即可得到材料的应变量.应变 数以及采用比较法和电桥法测量材料的磁致伸缩 片电阻变化为 系数.该实验系统搭建比较简单,原理容易理解, △R A1 . … 一】7 一 , L l J 实验装置稳定性好,数据可重复性高,教学效果良 “第五届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文 收稿日期:2008-08-19;修改日期:2008—10—17 资助项目:清华大学实验室创新基金资助(No.110008011) 作者简介:陈宜保(1973一),男,湖北宜昌人,清华大学物理系工程师,硕士,目前从事过渡金属硅化物和碳化物薄膜的 制备与分析工作. 物理实验 第28卷 式中R为应变片的电阻值,刁为应变片的灵敏系 数[ . 开关分别测量应变片和标准电阻上的电压,在电 压表内阻很大,忽略电源内阻的情况下,有 . 磁机械耦合系数是磁致伸缩材料的一个动态 性能参数,它的定义是输出机械能和输入磁场能 的比值: 丁T (4) 利用(4)式便可得到应变片的电阻值,改变外 k33一_=e=m=mec=h磁场,利用AR—R 一R。可以得到应变片的电阻 , (2)  ̄/U U h 其中,U 为电磁场能,U 为机械能,U … 为磁 机械能,也称磁弹性能. 变化,其中R。为未加磁场时应变片的电阻值.根 据(1)式可以得到样品的磁致伸缩系数. 利用比较法测量的好处在于电路简单,易于 本实验采用共振法测量磁机械耦合系数.通 过测量样品的阻抗频率曲线,利用共振频率和反 共振频率可以得到样品的磁机械耦合系数,其数 学表达式为 灏, (3) 其中, 为共振频率,/ 为反共振频率 . 3实验装置和内容 采用比较法和电桥法。’’。 测量磁致伸缩系 数,实验装置如图2所示. 比较法的测量原理如图2(a)所示,通过切换 高精度数字电压表 电源u (a)比较法 电源 (b)电桥法 图2磁致伸缩系数测量原理图 操作,但是在测微小电阻变化时对数字电压表的 精度提出较高的要求,但随着现代数字技术的发 展.高精度的数字电压表已经完全可以满足需要. 惠斯通电桥是精确测定电阻非常常用的实验 方法,本实验中电桥法测量原理如图2(b)所示, 应变片粘贴在样品表面,R 为相同的应变片,一 般将其粘贴在和样品形状相同的非磁性材料表 面,和样品并排放在磁场中,r为并联在R。上的 可调电位器,用以调节电桥平衡,R。和R 也是相 同型号的应变片.根据电桥理论,通过灵敏电流 计的电流为 一U(R R 3一R2R )[R (R -4-R2)(R3-4-R4)4- R R 2(R。+R )-4-R3R (R +R2)]_。. (5) 样品磁化时由于磁致伸缩使得R 增大△R, 变为R4-△R,且考虑到△R较小,可以得到: l一 【, △R 、 g~4(R ‘(6) ̄q-R)R 当采用高灵敏度数字电压表时,由于内阻非 常大,R 》R,桥路检测电压表两端电压V为 一 . 根据(1)式得到磁致伸缩系数为 4 V— . (8) u 使用电桥法测量磁致伸缩系数的难度在于电 桥平衡的调节.本实验使用浙江黄岩测试仪器厂 生产的BX120-3AA型电阻应变片,其阻值为 (119.8±0.1)Q,灵敏系数为2.08±0.02,实验 样品为中10 mm×50 mm的棒状Terfenol—D (Tb Dy¨。Fe .。)材料.利用比较法和电桥法测 量得到的结果如图3所示.从实验结果看,2种方 法测量得到的数据符合得很好. 共振法测量磁机械耦合系数的实验装置见图 4所示.样品上缠绕约200匝的线圈,使用锁相放 大器的振荡输出作为振荡功率源,输出端串联 第12期 陈宜保,等:超磁致伸缩材料性能测量实验 10 kQ左右的大阻值电阻,以保证线路中电流恒 定,输出电压为1 V,通过锁相放大器测量线圈两 端的电压即可确定线圈的阻抗.锁相振荡输出信 号为 一小儿V COS(2rift). (9) 图3利用比较法和电桥法测量得到超磁致 伸缩材料的磁致伸缩系数与磁场关系 图4 共振法测量磁机械耦合系数实验装置示意图 线圈阻抗记为z:==r+js=l Zl ej an(÷),锁 相测量得到线圈电压信号的X和y分量分别为: x—Y m  ̄一百Ym 测量过程中,改变锁相振荡输 , ,出的频率,根据测量得到的XY分量即可得到线 圈的阻抗频率曲线,通过阻抗频率曲线找到共振 频率和反共振频率,即可得到样品在对应外磁场 下的磁机械耦合系数r2 .表1和图5是在不同 磁场下样品的磁机械耦合系数数据和相应的阻抗 频率曲线. 表1 不同磁场下超磁致伸缩材料的磁机械耦合系数 B/mT k33 B/roT k33 47.8 0.477 244.5 0.342 81.9 O.415 325.4 0.276 128.9 O.394 382.8 0.254 199.5 O.373 447.6 0.219 图5不同磁场下超磁致伸缩材料的阻抗频率曲线 4 结束语 超磁致伸缩材料是一种新兴的功能材料,各 类特性参数的测量是其应用研究的重要基础,将 这一新兴材料的特性研究实验引入近代物理实验 教学内容,也让学生了解到一些传统的实验技术 手段在现代科学研究领域中的应用,有利于更进 一步培养学生的基本实验技能,加深学生对实验 研究在科学研究领域中重要作用的认识和理解. 同时也使得学生在实验课程的学习中接触到材料 科学研究前沿领域的知识与技术,有助于提高学 生的创新意识和创新能力,激发学生对物理实验 的学习热情和兴趣. 致谢:感谢清华大学普通物理实验室朱鹤年 老师、常缨老师提供支持与帮助,感谢清华大学实 验室与设备处提供基金支持,感谢北京有研稀土 材料股份公司提供Terfenol-D样品. 参考文献: [1] Clark A E.Magneto rist rictive rare earth-Fez corn— pounds[A].Wohlfarth E P.Ferromagnetic Mate— rials Vol 1 Ec].Amsterdam:North—Holland Pub— lishing Company,1980:531—598. 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(下转第2O页) 20 物 理实 验 第28卷 Single-walled carbon nanotubes modified by organics of the phthal0cyanine category XU Zhong—hui,WANG Feng (Information Engineering College,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China) Abstract:The single—walled carbon nanotubes are modified using phenoxy phthalocyanine and characterized using transmission electron microscope(TEM)。UV—vis absorptive spectra。fluorescent spectra and Raman spectra.TEM images show that the composite looks like sugareoated haws.The absorptive spectral intensity and the intensity of the peaks in the fluorescent spectra drops remarkably after absorption,which shows that the single—walled carbon nanotubes have absorbed a large amount of phenoxy phthalocyanines.Raman analysis revealed that after absorption,the position of the main peaks of the single—walled carbpn nanotubes shifted to longer wavelengths,caused by changes of the state of the single—walled carbon nanotubes before and after absorption. Key words:single—walled carbon nanotubes;chemical modification;phenoxy phthal0cyanine;flu— orescence;Raman spectra [责任编辑:任德香] (上接第l5页) men,2000:102—105. E5] Ashley S.IⅥagnetost rictive actuator [J].Mechani一 [8] Savage H T,Clark A E,Powers J M.Magnetome— eal Engineering,1998,120(6):68—70 chanical coupling and AE effect in highly magnetos— Joshi C H.Compact magnetostrictive actuators and trictive rare earth-Fe2 compouds[J].IEEE Trans. linear motor[A].Proceedings of Actuator 2000, Magn.,1975,11(5):1 355—1 358. 7“ Conference on New Actuator r C].Bremen, [9]倪嘉缵,洪广言.稀土新材料及新流程进展[M]. 2000:120—125. 北京:科学出版社,1998:200—293. E7] Quandt E,Claeyssen F.Magnetostrictive actuators [1O]王博文,张智祥,翁玲,等.巨磁致伸缩材料机械耦 and linear motor[A].Proceedings of Actuator 合系数的测量[J].河北工业大学学报,2002,31 2000,7 Conference on New Actuator r C].Bre— (4):1—4. Measuring characteristics 0f giant magnet0strictiVe material CHEN Yi—bao。WANG Wen—han,YANG Xiang, HE Yuan-jin。WANG H e—ying,SUN Wen—bo (Department of Physics,Tsinghua University,Beij ing 1 00084,China) Abstract:The magnetostrictive coefficient of Terfenol—D sample is measured by using comparison method and bridge method,and the magnetomechanical coupling coefficient of Terfenol—D sample is measured by using resonance method.The experiment on the the measurement of characteristics of gi— ant magnetostrictive material has been provided in the class of advanced physics experiments for the undergraduates,in order to make students know of the trends of materials science and research,and to arouse the students’creative ideas and interests. Key words:gaint magnetostrictive material;magnetost rictive coefficient;magnetomechanical COU— piing coefficient [责任编辑:任德香]