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超磁致伸缩材料及其应用
周全祥（2009级应用物理学）
摘要：超磁致伸缩材料（GMM）是一种在室温和低磁场条件下，就能产生很大磁致伸缩应变的新型功能材料，具有输出力大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出应变大等优点，在智能系统中具有广泛的应用前景，其力学响应行为涉及变形场、磁场、涡流场、温度场相互耦合问题，直接关系到智能系统的性能指标和可靠运行。目前人们已经设计并制造出各种智能结构和器件，如:主动减振装置、高精度线性马达、超磁致伸缩微泵、微阀门、微定位装置等等，使得磁致伸缩材料在众多的功能材料中备受瞩目。超磁致伸缩材料Terfenol-D与压电陶瓷材料相比具有更优越的性能。
关键字：超磁致伸缩材料，工作特性，制备工艺，非线性，换能器，制动器
Abstract：Giant Magnetostrictive Materlal，GMM in abbreviatory，is one kind of new funetion materials and can give giant magnetostriction strains with temperature indoor and low magnetie field.It has good features such as giants trains，high force，high energy density，high mechanical-magnetic coupling coefficient，mierosecond response and so on. Magnetostrictive materials have an immeasurable applied prospect in smart devices. A considerable coupling effect among mechanical field， magnetic field， thermal field，electrical field is therefore being a relevant concern in the applications of magnetostrietive devices.Motivated by the need to promote a more efficient design process and higher performance achievement of development of materials，devices and system designs.GMM is a kind of new type of functional material，which has been used to design and fabricate many intelligent devices such as active vibration absorbers，linear motors，micro-pumps，micro-valves， and micro- positioners etc. Terfenol-D than piezoceramic material has more superior performance.
Key words：giant magnetostrictive material，working chracteristic，preparation technique, nonlinear，transducerdisplacement actuator
前言
超磁致伸缩材料(giant magnetostrietive material，简写为GMM)是A.E.Clark等人于70年代发现的，是一种新型的功能材料，它能有效地实现电能与机械能的相互转换。由于具有应变值大、电能一机械能转换效率高、能量传输密度大、高响应速度等特点，该材料已引起广泛的注意，并逐步开始应用于声纳、超声器件、微位移控制、机器人、流体器件中。表1.1给出了电磁场，变形场和温度场之间能量转换的不同效应。形状记忆合金和压电陶瓷都已在航空航天结构中被用于控制和制动。形状记忆合金非常适合用在高冲程量、低带宽的领域中，例如旋翼叶片的飞行追踪。而压电陶瓷适用于低冲程量、高带宽的情形，例如被安置在直升飞机的后缘襟翼上以降低较高的谐波振动。
磁致伸缩材料可以提供机械能和磁能之间的转化，其带宽在30KHz左右，低于电致伸缩材料和压电陶瓷，但高于形状记忆合金。在过去的几年中，能产生大于0.001应变的磁致仲缩材料受到广泛的关注，这主要是因为这种材料非常适合应用在一些需要较大驱动力和较小位移的领域，如可变形表面，主动振动控制和精确制造等等，在商业应用中也可以产生巨大的经济效益。磁致伸缩器件由于其独特的功能优势在许多危险工作条件和高温环境下性能出众，并且能够在低频磁场下调节应力和位移。相对于电致伸缩材料和压电陶瓷，磁致伸缩材料的优势在于其优越的力学性能和热鲁棒性，而相对于形状记忆合金，更具有应变大，带宽广和磁滞损耗低等优点。这些性能优势有利于开发研制传感器和制动器，甚至二者的结合体，例如需要精密的自传感制动器。
一、 工作特性
作为一种新型的功能稀土材料，与压电陶瓷(PZT)相比，超磁致伸缩材料具
有一些突出的优点:(1)可产生5~10倍于压电陶瓷的静态应变，在共振频率下，
动态应变比静态应变还要更高出几倍，可在低压下使用;(2)在所有功能材料器
件中能量密度最高，输出功率高;(3)结构紧凑，工作频率范围宽(数百Hz—数
百kHz，有恒定响应的稀土超磁致伸缩材料换能器，能代替数个不同频率响应的
压电换能器)能量转换时损耗低;(4)工作温度范围广 (Terfenol一D的温度范围
为一50℃~70℃)且温度稳定性高(当工作温度超过其居里温度时磁致伸缩性能
不会发生不可逆变化;而压电陶瓷即使在居里温度的一半时，压电性能也会受到
不可逆的损害，超过居里温度时则完全失去极化);(5)弹性模量随磁场变化，可
调控。
二、 制备工艺
2-1 ZMLMC法
该方法将区域熔化与液态金属冷却相结合,利用感应加热集中对凝固界面前沿液相进行加热,从而有效地提高了固液界面前沿的温度梯度.采用ZMLMC方法制备Tb-Dy-Fe磁致伸缩材料,在8×104A/m磁场下,磁致伸缩系数达10-3以上,压应力下的饱和磁致伸缩系数达1·7×10-3,比采用其他方法制备的同一材料的性能高
得多.由此可见,高温度梯度定向凝固技术在现代凝固理论特别是高性能材料制备中已经发挥了重要作用。
2-2 深过冷定向凝固(DUDS)
深过冷定向凝固是深过冷与定向凝固的结合,是利用电磁悬浮冶炼、循环加热和熔体净化相结合的方法.使液态金属获得深过冷,然后,在临界过冷度附近采用可提供一定温度梯度的激发源予以激发,完成深过冷熔体激发快速定向凝固.由于深过冷定向凝固集中了深过冷凝固与定向凝固的各自优势,深过冷定向凝固技术克服了传统定向凝固技术的一些不足之处。但是深过冷定向凝固法作为一种改进的定向凝固法仍存在一些问题有待解决,过冷度太小或太大都不能形成理想的枝晶组织,深过冷定向凝固即过冷熔体中强制枝晶生长形成理想的枝晶阵列微观组织仅局限于某一过冷度范围内。
2-3 电磁约束成形定向凝固技术(DSEMS)
电磁约束成形定向凝固技术是将电磁约束成形技术与定向凝固技术相结合而产生的一种新型定向凝固技术.该技术利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料,并利用在金属熔体表层部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形.同时,冷却介质与铸件表面直接接触,增强了铸件固相的冷却能力,在固液界面附近熔体内可以产生很高的温度梯度,使凝固组织超细化,显著提高铸件的表面质量和内在综合性能.该方法目前还处于研究阶段。
三、 应用
由于超磁致伸缩材料, 在磁场作用下长度发生变化, 发生位移而做功; 在交变磁场作用下, 发生反复伸张与缩短, 从而产生振动或声波, 将电磁能( 或电磁信号) 转换成机械能或声能( 或机械位移信息, 或声信息), 相反也可以将机械能( 或机械位移与信息) 转换成电磁能( 或电磁信息), 这样可以制成功率电- 声换能器、电- 机换能器、驱动器、传感器和电子器件等, 广泛应用于海洋、地质、航空航天、运输、加工制造、医学、计算机、机器人、仪器、电子及民品等技术领域。
3-1 在磁(电)- 声转换技术中的应用
电磁波在液体和固体中因衰减过快无法应用, 而声信号在液体和固体中衰减较小, 因而成为液体和固体进行探测、通信、侦察和遥控的主要媒介。发射和接收声信号的器件称为水声换能器, 是声纳的核心元件。对于水声换能器来说, 发射的频率越低, 声信号在水中衰减越小, 传送距离越远, 受潜艇涂层噪音的干扰也较小。为了提高声信号的分辨率, 还要求换能器具有较宽的频带响应和多指向性。由于超磁致伸缩材料具有应变大、功率密度大、低频(<2 kHz) 响应好、频带宽等特点, 是制作大功率、小体积、低频、宽频带水声换能器的理想的材料。因而超磁致伸缩材料的最早应用是作为水声换能器的核心材料, 用稀土超磁致伸缩材料制造的水声换能器其能量密度为压电换能器的10 倍, 工作距离超过 104km, 是压电换能器的几十倍, 而且它还具有比传统材料低一半的声速。
3-2 在磁(电)- 机转换器件中的应用
超磁致伸缩精密致动器是改善自动控制技术、提高产品精度及反应速度的新一代致动器, 具有输出力大、漂移小、移动范围大等特点。它不仅能克服传统电致伸缩致动器的缺点, 而且其电机转换效率具有其它材料无法比拟的优势, 如在精密阀门、精密流量控制、数控机床、精密机床的给进系统方面, 用精密致动器,位移精确度可达纳米级, 响应速度快, 输出力大, 设计相 对 简 单 。 日 本 茨 城 大 学 江 田 弘 和 东 芝 公 司 的Kohayashi 合作设计了定位精度达到纳米级的超磁致伸缩致动器, 并将其成功地应用于大型光学金刚石车床的微进给装置。
3-3 在检测领域中的应用
利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩正效应或逆效应可以制作检测磁场、应变、位移、扭矩、压力和电流等的传感器敏感元件。利用稀土超磁致伸缩材料在磁场中产生应变的原理, 结合激光二极管或 PZT 材料可以制成各种测磁仪。1991 年美国开发出一种 GMM 激光二极管磁强计, 精度为 160×10-15A/m。国内成功开发出磁场光纤传感器原型, 将磁场传感器由传统磁- 电类型升级为更可靠和灵敏度更高的磁- 光类型; 美国海军采用超磁致伸缩材料开发了磁致伸缩应变计, 它与传统的半导体应变计相比具有更大的动态范围、更高的灵敏度和精度, 并且它的温度依赖性小, 可测的频带更宽, 可测应变量最小达到 3×10-10。利用超磁致伸缩材料的压磁效应研制的压磁式压力传感器, 运用了磁场平衡原理, 当传感器受力时,压力方向和垂直于压力方向上的磁场不再均匀分布,这样就会在输出线圈中产生磁通, 激发线圈产生二次电压信号。压磁式压力传感器具有输出功率大、抗干
扰能力强、寿命长、维护方便、能适应恶劣工作环境等优点, 在自动化控制系统中有良好应用前景。国外利用 Terfenol- D 的压磁效应研制的用于检测地震波的
加速度传感器, 在实际应用中获得良好的效果。
四、 结语
超磁致伸缩材料作为三大智能材料之一,由于其优异的性能特点,正受到相关学者的广泛关注,其应用范围涉及到传感器、流体机械、磁电-声换能器、微型马达、超精密加工领域等,充分显示出了超磁致伸缩材料的巨大潜力。从目前发展的趋势可以看出,形态上的薄膜化、微型化将成为具有潜力的发展方向,而执行与传感功能融合形成的具有自感知功能的执行器将成为超磁致伸缩材料器件研究的前沿。在未来对超磁致伸缩材料的研究过程中,亦有必要不断进行成分调整和掺杂研究,不断提高其响应速度、饱和磁致伸缩系数、可控性、刺激转换效率等,使超
磁致伸缩材料应用到地震工程、生物医学工程、环境工程等新领域中。
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