磁致伸縮複合材料的原理：磁體受到外磁場磁化時，由於磁疇結構的變化和磁化向量的轉動，出現整個物體的線磁致伸縮，磁致伸縮複合材料把磁能轉換成機械能。可用來做超聲發生器，傳動器和感測器等。
1973年發展史,1994年發展史,石墨複合材料的磁致伸縮研究,實驗材料及方法,結果與討論,結論,
1973年發展史
美國的Clark博士等成功發現了Tb0.27Dy0.73Fe2的磁晶各向異性常數K1≈-0.16×10J/m，多晶材料在2×10kA/m的磁場下就可以飽和磁化，飽和磁致伸縮係數達1000ppm，而單晶飽和磁致伸縮係數λ111=1620ppm，λ100≤100ppm。這種三元稀土化合物現在由美國Edge Technologies公司實現了商業化生產，其商品牌號為Terfenol-D，通用的表達式為TbxDy1-xFe2-y，其中的x, y可以在一定的範圍內變化，就有可能獲得不同磁致伸縮性能的材料。目前稀土超磁致伸縮材料的套用開發工作在世界上許多公司進行，除美國的Edge Technologies公司外，還有瑞典的FeredynAB公司，日本的Toshiba公司，英國的Johnson Matthey公司等。
與壓電材料和傳統的磁致伸縮材料相比具有以下特點：Terfenol-D飽和磁致伸縮應變很大，比鎳大40~50倍，比PZT壓電陶瓷大5~8倍，故在低頻下可使得水聲換能器獲得很高的體積速度和聲源級；能量密度高，比鎳大400~500倍，比PZT壓電陶瓷大10~14倍；磁機械耦合係數大，有利於換能器的寬頻高頻率工作；聲速低，比鎳小3倍，約為壓電陶瓷的一半，有利於換能器小型化設計；居里點溫度高。對大功率而言，即使是瞬間過熱都會導致PZT壓電陶瓷的永久性極化完全消失，而Terfenol-D工作到居里溫度以上只會使其磁致伸縮特性暫時消失，冷卻到居里溫度以下，其磁致伸縮特性可完全恢復，故無過熱失效問題。Terfenol-D與純鎳及PZT壓電陶瓷的性能對比如表1所示。
表1 Terfenol-D與純鎳及PZT物理性能對比
性能參數 | Terfenol-D | 純鎳 | 壓電陶瓷 | |
Tb0.27Dy0.73Fe1.93 | >98%Ni | PZT-4 | PZT-8 | |
楊氏模量(GPa) | 26.5 | 206 | 113 | 111 |
聲速(m/s) | 1690 | 4900 | 4150 | 4500 |
居里溫度(℃) | 387 | 354 | 300 | 300 |
伸縮係數(×10) | 1500~2000 | -40 | 400 | 250 |
機電耦合係數 | 0.72 | 0.16~0.25 | 0.68 | 0.5~0.6 |
動態伸縮係數(nm/A) | 1.7 | -- | -- | -- |
動態伸縮係數(nm/V) | -- | -- | 0.496 | 0.225 |
相對磁導率 | 9.3 | 60 | -- | -- |
磁彈密度(J/m) | 14000~25000 | 30 | 960 | 2500 |
以Terfenol-D為代表的稀土超磁致伸縮材料自發明以來，其製造工藝不斷完善，性能不斷提高，成本不斷降低，套用領域不斷擴大，市場迅速發展，在軍民兩用高技術領域顯示器出廣闊的套用前景。然而Terfenol-D 也有許多缺點，如材料的脆性，產生應變需較大的磁場及在高頻使用範圍中渦流的產生等。材料的脆性限制了較大應力特別是拉應力的套用，如Terfenol-D 在阻尼和能量吸收方面具有顯著的特性，在一次循環使用中可以吸收80%的機械能，但材料的較低抗拉強度限制了材料在能量吸收方面的套用；渦流的產生限制了其在高頻領域的套用。
為拓寬稀土超磁致伸縮材料使用工作頻率，改善其綜合機械性能，1983年Clark首先提出了用粘接樹脂製備複合材料的方法，但未公開其實驗結果。
1994年發展史
瑞典學者Sandlund和英國學者R.Angulo等人分別正式公開提出用粘接法製備超磁致伸縮複合材料GMPC(Giant Magnetostriction Powder Composite)，即用Terfenol-D粉末與聚合物粘結劑混合壓製成複合材料。實驗證明，非磁致伸縮粘結劑的加入會降低材料的密度和磁致伸縮性能，然而材料的其它性能則得到極大的改善。絕緣性樹脂聚合物的加入包圍了Terfenol-D顆粒，割斷了渦流損耗，同時增大了材料的電阻，從而使其高頻性能得到極大的提高；此外複合材料的可加工性能非常好，可以製造成多種複雜形狀；材料的拉伸性能也得到一定的改善。最重要的是，複合材料仍可產生巨大的磁致伸縮現象。Roberts 等人的研究工作探討了該項技術的潛在優越性。Sandlund 等人的研究表明GMPC 的磁致伸縮性能可與Terfenol-D 相抗衡。以Sandlund採用高聚物粘結法製作的牌號為MAGMEK91的超磁致伸縮複合材料為例，其性能與常規的Terfenol-D(MAGMEK86)棒材的性能比較如表2所示。
表2 GMPC與常規的Terfenol-D的性能參數比較
性能參數 | GMPC | Terfenol-D |
MAGMEK91 | MAGMEK86 | |
飽和磁致伸縮(×10) | 1100 | 1500 |
抗壓強度(MPa) | 250 | 300 |
抗拉強度(MPa) | 120 | 28 |
聲速(m/s) | 1740 | 1720 |
楊氏彈性模量(GPa) | 22 | 26.5 |
密度(×10Kg/m) | 7.3 | 9.1 |
電阻率(×10Ω·m) | 10000 | 0.6 |
由表可見GMPC表現出較大的電阻率，說明在高頻下其渦流損耗較小；其拉應力是Terfenol-D棒材的4倍，聲速較接近，楊氏彈性模量和壓應力稍低。同時對Terfenol-D複合材料的磁致伸縮係數、彈性模量以及磁機械耦合係數的研究發現，在低頻下，複合材料的磁致伸縮可達到1100ppm，而Terfenol-D棒的飽和磁致伸縮為1500ppm，其飽和磁致伸縮降低了30%。樹脂基磁致伸縮材料為人類提供了嶄新的智慧型材料。這已成為Terfenol-D超磁致伸縮材料的一個新的發展方向。
石墨複合材料的磁致伸縮研究
在對聚丙烯/炭黑、聚丙烯/碳納米管（CNT）、環氧樹脂/TbDyFe、TPI/TbDyFe複合材料磁致伸縮性能研究的基礎上，對傳統的導電橡膠材料TPI/石墨進行了磁致伸縮性能的研究。
實驗材料及方法
反式聚異戊二烯（TPI）用青島科技大學的產品；石墨用青島華泰潤滑密封科技有限責任公司生產的粉狀粒子，平均粒徑約為1µm；矽烷偶聯劑用南京曙光化工集團有限公司的KH－550，ρ=0.946g/cm；石墨用矽烷偶聯劑活化處理後，充分乾燥，分別以質量分數10%、30%和50%的含量與TPI在雙輥混煉機上混煉，製成TPI/石墨複合材料，用平板硫化機模壓成型尺寸大小為20mm×10mm×4mm的試樣。
磁致伸縮性能用JDM-28磁致伸縮測量儀測試。
結果與討論
磁場強度對複合材料磁致伸縮應變的影響
當磁場強度H不同時，TPI/石墨複合材料在平行和垂直於磁場方向下磁致伸縮飽和應變值不同。圖1表示複合材料試樣在磁場作用下平行和垂直於磁場方向的磁致伸縮應變飽和值隨H不同的變化趨勢。
由圖1可知，在磁場作用下，複合材料在平行於磁場強度方向以及垂直於磁場方向這兩個方向均發生了比較明顯的磁致伸縮應變，並且隨著磁場強度的增加，複合材料的磁致伸縮飽和應變值逐漸增大。
在0.8T恆定磁場作用下，平行於磁場強度方向的最大磁致伸縮應變飽和值達到1.39×10（139ppm），而垂直於磁場方向的最大飽和應變大約為1.75×10（175ppm）；在1.0T恆定磁場作用下，平行於磁場強度方向的最大磁致伸縮應變飽和值達到1.71×10（171ppm），而垂直於磁場方向的最大飽和應變大約為2.34×10（234ppm）。
磁場作用時間對複合材料磁致伸縮應變的影響
在恆定磁場作用下，TPI/石墨複合材料的磁致應變λ會隨著時間的延長而處於持續增大的狀態直至最後達到相對的飽和狀態，這表明該複合材料的λ不僅與H的大小有關，還和磁場作用時間有關，如圖2所示。
由圖2 可知，隨著磁場作用時間的增大，複合材料的磁致伸縮應變也隨之增加，該複合材料較之傳統的無機磁致伸縮材料而言具有一定的磁致滯後現象；同時，還可以看出隨著石墨粒子的含量的增加，複合材料磁致伸縮應變值也隨之增加。
結論
研究表明，石墨含量分別為10%、30%和50%（質量分數）的TPI/石墨複合材料具有一定的磁致伸縮性能。該複合材料具有較大的磁致伸縮應變，最大的磁致伸縮應變為2.34×10（234ppm），分析認為產生磁致伸縮的主要原因是由於複合材料中的石墨粒子引起的，同時還發現應變本身與磁場強度、作用時間的大小有關。
