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摘要：研究人员发现，当施加9T磁场时，铬(Cr)碲(Te)化物烧结体的体积膨胀高达1200ppm。经证实，这种磁场中的较大体积膨胀出现在-260°C至80°C的宽温度范围内，具有在磁场中保持形状的同时体积发生变化，并且在宽磁场范围内几乎与磁场成正比等特征，是一种基于磁场中各向异性晶格变形新机制的磁场诱导应变现象。

关键词：铬（Cr）碲（Te）化物、晶格各向异性变形、磁致伸缩、磁致伸缩致动器、反铁磁性体

要点

•在铬（Cr）碲（Te）化物中施加磁场，实现了最大级的体积膨胀。这种体积膨胀出现在包括室温在内的宽温度范围，且具有在宽磁场范围内与磁场成正比的特征。

•阐明了这种磁场中的体积膨胀是由于一种利用晶格各向异性变形的新机制。

•新材料不含有害铅，大幅扩大了致动器材料开发的候选范围。

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发表概要

研究小组发现了一种在包括室温在内的宽温度范围内施加磁场时体积会大幅膨胀的新材料。这是基于新型表达机制的巨大体积膨胀，出现在一种不同于传统磁致伸缩材料的新材料系中，有望作为高性能致动器材料应用。

物体的形状和大小在磁场中发生变化的现象被称为磁致伸缩（magnetostrictive effect），表现出较大磁致伸缩的材料被用于从磁场获得位移和驱动力的磁致伸缩致动器。磁致伸缩致动器已用于各种设备，例如精密定位元件、微型机械驱动器、力和位移传感器、超声波声纳和清洁机等。Terfenol-D（铁和稀土类金属的合金）等材料已被开发为磁致伸缩材料，而无论在什么情况下，磁致伸缩都伴随着自发磁化的表现而发生，这是铁磁性体作为“磁铁”的特性，目前已知几乎没有除此以外的较大磁致伸缩实例。

研究人员发现，当施加9T磁场时，铬(Cr)碲(Te)化物烧结体的体积膨胀高达1200ppm。经证实，这种磁场中的较大体积膨胀出现在-260°C至80°C的宽温度范围内，具有在磁场中保持形状的同时体积发生变化，并且在宽磁场范围内几乎与磁场成正比等特征，是一种基于磁场中各向异性晶格变形新机制的磁场诱导应变现象。该物质系不仅有望成为一种新型磁致伸缩材料，而且有望大幅扩大磁致伸缩材料的候选范围。目前，在致动器材料领域，以电场驱动的锆钛酸铅（PZT）应用最为广泛，但其含有有毒铅，因而替代材料的开发迫在眉睫。该成果或将有助于解决这一问题。

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研究背景

当施加磁场时物体的形状或体积发生变化的现象被称为磁致伸缩（磁场诱导应变），是普遍发生于铁磁性体的现象。在普通的铁磁性体中，磁致伸缩的大小约为1至10 ppm（百万分之一至十万分之一），其中也有像Terfenol-D（铁和稀土类金属的合金）这样超过1000ppm（千分之一）的巨大磁致伸缩物质。这种物质被称为超磁致伸缩材料，因其大幅而高速的磁场响应，被用作通过磁场获得位移和驱动力的磁致伸缩致动器。磁致伸缩致动器可以用于多种设备，例如精密定位元件、微型机械驱动器、力和位移传感器、声纳和超声波清洗机等超声波应用。尤其是现在，利用压电效应的致动器被广泛用于精密定位元件等，但由于其材料使用含有有害铅的锆钛酸铅（PZT），因此替代致动器材料的开发迫在眉睫。然而，迄今为止发现的大部分表现出较大磁致伸缩的材料都是通过自发磁化(铁磁性体的“磁铁”特性)而实现较大的磁致伸缩。磁致伸缩主要是由于铁磁畴的磁场排列而产生的，鲜有其他表现出较大磁致伸缩机制的实例。

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研究内容

研究人员发现，化学成分为Cr₃Te₄和Cr₂Te₃的铬碲化物烧结体表现出具有较大体积膨胀的磁场诱导应变。特别是Cr₃Te₄在-260℃至80℃的宽温度范围内表现出较大的体积膨胀，当施加9T磁场时，最大体积膨胀达到1200ppm（图1）。在磁场中表现出如此巨大体积变化的物质仅限于作为热膨胀控制材料而广为人知的因瓦合金，这表明这些铬碲化物有望成为新型致动器材料。此外，磁场中的这种体积膨胀具有不同于传统磁致伸缩材料的各种特性。

首先，与主要改变物体形状而非体积的传统磁致伸缩不同，其在磁场中保持形状的同时，体积发生显著变化（图2）。同时，还表现出在从零到至少9T的宽磁场范围内几乎与磁场成正比的体积膨胀（图1）。这些结果表明，研究小组发现的铬碲化物中的磁场诱导应变，不像传统磁致伸缩材料那样由磁场引起的铁磁畴排列造成。

图1. Cr₃Te₄烧结体（右）在磁场中的体积变化

可以看出，在任何温度范围内，体积膨胀都几乎与磁场的大小成正比。

传统材料在平行于磁场的方向上被拉伸时，会在垂直方向上收缩，体积变化较小；与此相对，无论磁场的方向如何，本材料都各向同性地膨胀。

根据Cr₃Te₄和Cr₂Te₃磁场诱导应变、热膨胀、低温X射线衍射和磁化的实验结果，伴随较大体积膨胀的磁场诱导应变极有可能是由磁场引起的晶格各向异性变形的影响，以及改变烧结体样品中孔隙尺寸的材料结构的影响共同造成的。这是一种实现较大体积变化的磁场诱导应变的新机制。这意味着铁磁性体的磁畴不必承担重要作用，大大拓宽了新一代磁致伸缩材料的开发范围。基于本研究，有望在完全不同于传统材料的物质群中开发致动器材料，并在没有自发磁化的反铁磁性体中发现表现较大磁场诱导体积变化的物质。

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成果意义

·在从极低温到室温以上的宽温度范围内实现了几乎各向同性、且在宽磁场范围内几乎与磁场成正比的较大磁场诱导应变

在以Terfenol-D为代表的传统磁致伸缩材料中，磁致伸缩主要表现为形状的变化——当施加磁场时，会在一定方向上膨胀，并在与其垂直的方向上收缩（各向异性）（图2上）。此外，由于其随着铁磁性体中自发磁化的表现而出现，因此当施加强磁场时应变的大小达到峰值。而与传统磁致伸缩材料不同，磁场诱导感应引起的铬碲化物体积膨胀是各向同性的，在几乎保持物体形状的同时体积发生变化；并且在从零磁场到至少9T的宽磁场范围内，表现出与磁场大致成正比的体积膨胀；此外，在从极低温到室温以上的宽温度范围内表现出了这种特征性的磁场诱导应变。有望用于需要磁场响应具有高各向同性和线性的应用，这是现有磁致伸缩材料无法实现的。

·不同于传统磁致伸缩材料的物质群：铬化合物磁性体在室温下表现出最大级的磁场诱导体积膨胀

超磁致伸缩材料Terfenol-D和Galfenol，以及表现出较大体积磁致伸缩的因瓦合金都是含铁的金属铁磁性体，而易成为的铬化合物的磁性体作为磁致伸缩材料几乎没有受到关注。本研究在铬碲化物中发现室温下巨大的磁场诱导应变，表明铬化合物磁性体有望成为新一代磁致伸缩材料开发的起点，期待进一步发现高性能材料。

翻译：李释云

审校：李涵

通稿：李涵

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发现在磁场下体积大幅膨胀的新材料——有望作为致动器新材料