超磁致伸缩材料发展及其应用现状研究

超磁致伸缩材料发展及其应用现状研究

作者：邬义杰

 

 

 

 

 

       1842 年 ,焦尔发现 :当磁性体 (如金属 Ni 、Fe 等)的磁化状态改变时 ,其外型尺寸或体积会发生微小的变化 ,这就是磁致伸缩效应 ,又称焦尔效应。磁致伸缩可分为 :线磁致伸缩和体积磁致伸缩。当磁性体被磁化时 ,沿磁化方向伸长或缩短 ,称为线磁致伸缩。发生线磁致伸缩时 ,磁性体的体积几乎不变。当磁化未达到饱和时 ,主要是产生线磁致伸缩 ,磁致伸缩一般均指线磁致伸缩。磁性体磁化状态改变时 ,体积发生膨胀或收缩的现象则称为体积磁致伸缩。磁性体磁化饱和以后主要产生体积磁致伸缩。在绝大部分磁性体中 ,体积磁致伸缩很小 ,实际的用途也很少 ,因此很少考虑它。磁致伸缩材料是指具有磁致伸缩效应的磁(电) ———机械能转换材料 ,它的饱和磁致伸缩系数λs 通常为 10 - 6数量级。超磁致伸缩材料是具有大磁致伸缩系数的磁致伸缩材料 ,其λs 一般大于 3. 0×10 - 5 。

2 　超磁致伸缩材料的发展

       20 世纪 40 年代 ,Ni 和 Co 的多晶磁致伸缩材料进入应用 ;60 年代初 ,人们已发现稀土元素具有很多独特的磁性。1963 年 ,Legvold 等人发现稀土金属铽(Tb) 和镝 (Dy) 在低温下的磁致伸缩是传统磁致伸缩材料的 100～1000 倍 ,但它们的有序化温度很低 ,而钆 ( Gd) 在居里温度不低于室温时的磁致伸缩值基本为零 。

       20 世纪 70 年代初 ,人们开始研究可在室温下工作的超磁致伸缩材料。自 1971 年开始 ,美国海军表面武器研究中心和爱阿华州立大学探索有实用意义的稀土超磁致伸缩材料。1972 年 ,A. E. Clark 发现 TbFe2 、DyFe2 等二元稀土铁合金在室温和低磁场下有很大的磁致伸缩系数[2 ] ;1974 年又发现三元稀土铁合金在常温下饱和磁致伸缩系数达到 10- 3数量级 ,磁机耦合系数大于 0. 6。1976 年公布了 C1ark等人在美国申请的专利 (US3949351) ,并将其推向实用化[3 ] 。后来 ,美国、瑞典和日本等的一些公司对三元稀土铁合金进行了大量研究 ,采用不同工艺不同配比制成了具有各种规格和配比的超磁致伸缩材料。

       20 世纪 80 年代中期 ,开始出现商品化的稀土超磁致伸缩材料 ,产品主要有美国 Edge technologies公司的 Terfenol2D 和瑞典 Feredyn AB 公司的 Magmek 86 ,日本、英国等国家也进行了相关研究 ,取得一定成果 。1988 年以来 ,因材料制备工艺的突破 ,材料的制备与应用研究进入快速发展阶段。1989 年全世界 Terfenol2D 合金产量仅为 100 kg , 1993 年约 1 000 kg ,1995 年达到 10 000 kg ,而到 1997年已达到 70 000kg。最近几年来 ,Terfenol2D 的市场年增长率为 100 %。美国 Iarson 博土认为 ,稀土超磁致伸缩材料已进入稳定的需求增长期 ,其成长趋势与 Nd - Fe - B 稀土永磁材料极为相似。

3 　超磁致伸缩材料工程应用研究现状

        稀土超磁致伸缩材料一经发现 ,立即受到各国科技界、工业界和政府部门特别是军事部门的高度关注。近年来 ,国外研制了近千种应用器件 ,批准的美国专利已超过一百多件。

3. 1 　在磁(电) —机换能器中的应用

       基于超磁致伸缩材料的微位移致动器具有大位移、强力、响应快、可靠性高、漂移量小、驱动电压低等优点 ,因而在流体机械、超精密加工、微马达以及振动控制等工程领域均显示出良好的应用前景。 

3. 1. 1 　在流体机械中的应用

        目前 ,超磁致伸缩电 (磁) —机械能转换器较多应用于微型泵、燃油喷射系统和各种阀门等产品中。瑞典 ABB 公司用 Terfenol2D 为驱动元件设计了流体泵 ;一家瑞典公司将 Terfenol2D 用于燃料喷射阀的驱动 ,并申请了专利 ;M. Goodfriend 等人采用超磁致伸缩致动器改造比例滑阀 ;Takahiro Urai 等采用超磁致伸缩致动器研制了直动式伺服阀 ; 日本用Terfenol2D 研制成功了微型隔膜泵 ;英国 SatCon Tec2nology 公司的 Dariusz A. Bushko 和 James H. Goldie用 Terfenol2D 棒制成了微型高压隔膜泵 ,结合水力和电控装置 ,可实现强力、大行程的水力驱动 ,既可线性输出又可旋转输出 ,体积小且易于控制。该系统的总体框架和高压隔膜泵结构系统包括 4 个功能子系统 :

(1)超磁致伸缩高压泵 ,提供可控高压水流源 ;

(2)水压传输与分配系统 ,将水压传递给线性或转动致动器 ,并控制驱动方向 ;

(3) 常规线性或旋转水力致动器 ,将高压水流转换成可供利用的力或者扭矩 ;

(4) 能源和电控系统 ,分别用于为高压泵提供驱动电流和掌握控制阀的动作。

3. 1. 2 　在超精密加工中的应用

       目前 ,纳米、埃米级超精密定位系统用致动元件大多使用压电陶瓷材料 ,其输出功率低 ,且必须采取有效措施防止冲击力和高驱动电压造成的短路等问题。超磁致伸缩驱动元件输出位移是电致伸缩致动器的数十倍 ,且可低阻抗运行。日本茨城大学江田.弘和 Toshiba 公司的 obayashi 合作设计了纳米级超精密定位超磁致伸缩致动器 ,用于大型光学金刚石车床的微进给装置 。

3. 1. 3 　在微型马达中的应用

       Cedrat Recherche 首次研制并测试了利用两种振动模式间的机械共振实现的超磁致伸缩摩擦马达。该马达的定子由一个环和两个 Terfenol2D 线性致动器构成 ,产生平移和屈曲两种振动模式 ,两种模式利用 90°相移进行耦合以产生椭圆振动 ,利用这种椭圆振动并借助摩擦即可将运动传递给两个转子 。德国的 L. Kiesewetter 利用 Terfenol2D 棒研制成功一种尺蠖式马达 。当线圈通入电流并且位置发生变化时 ,超磁致伸缩棒交替伸缩 ,象虫子一样蠕动前进。美国的 J . M. Vranish 等利用蠕动原理采用超磁致伸缩材料开发出转动式步进马达 。

3. 1. 4 　在主动减振降噪机构中的应用

       主动减振降噪机构是利用传感器检测设备的振动位移信号 ,经控制器处理后反馈到致动器 ,由致动器产生大小相等、方向相反的位移以抵消振动。作为主动减振降噪系统执行机构的超磁致伸缩致动器最大输出力可达数千牛顿 ,振动衰减量最大可达70 % ,频率范围为 0～5 kHz ,低频持性好。美国的M. Anjanappa 等将超磁致伸缩致动器应用于振动的主动控制中 ,并对其工作原理进行了理论分析与实验研究 ,首次给出了考虑热效应的超磁致伸缩致动器的基本数学模型 。日本的 Ohmate K. 等采用 Terfenol2D 设计了三连杆臂型半主动振动控制装置 ,可减缓由于地震、强风等产生的振动。该装置可在 3 个直线或转动方向产生可控的摩擦力和摩擦力矩 。在国内 ,南京航空航天大学的顾仲权等研究了磁致伸缩材料作动器在振动主动控制中的应用 ;哈尔滨工业大学的盖玉先等研究了以 GMA 为作动器 ,采用人工模糊神经网络控制的超精密机床隔振系统 ;海军工程大学的欧阳光耀等研究了超磁致伸缩作动器的设计方法 ,并将其作为振动主动控制的执行器 ,取得了较好的振动控制效果。

3. 2 　在声纳中的应用

3. 2. 1 　在大功率低频声纳系统中的应用

        声纳的核心元件是其换能器的能量转换材料 ,以往的声纳大多采用压电换能器 ,发射频率都在 2 kHz 以上 ,但低频声纳有其特殊的优越性。用 Ter2 fenol2D 制作的声纳具有低频、大功率、尺寸小、重量轻的优点 ,不会产生高压击穿 ,它最早由美国海军部门采用 ,且发展较快。国际上最先使用的 Terfenol2D 换能器是一种内方外圆形水下器件 ,称为方环换能器 ,应用于美国Gould 公司和 Rayfhlon 公司最早的商品水听器中。日本学者 wakiwaka 采用超磁致伸缩材料设计了声纳换能器。理论上 ,此换能器机电耦合系数可达 0. 73 ,声源信号可达 192 dB 。我国冶金部钢铁研究总院和中科院声学研究所采用国产超磁致伸缩合金 ,研制出大功率低频声纳。七一五研究所进行了多边形水声换能器的研究。到2005 年 ,超磁致伸缩水下声纳将在世界范围内普遍采用 ;除了水下声纳 ,超磁致伸缩声纳还应用于陆地声纳和工业声纳。陆地声纳用于地质工程和地质科学 ,工业声纳用于石油测井、输油管堵塞定位和油田二次开采等。

3. 2. 2 　在超声换能器中的应用

       用超磁致伸缩材料制作大功率超声换能器 ,需克服高频下的涡流损耗。为此 ,换能器的驱动元件须采用薄片叠层的方法制成。用超磁致伸缩材料制造的大功率超声换能器 ,在清洗、除垢、分离、乳化、破碎、机加工、塑料焊接、探伤和医疗器械等方面具有广泛的应用前景。ETREMA 公司用 Terfenol2D 制成了 3kW的超声换能器 ,用于废旧轮胎破碎 ;同时还用 Terfenol2D 制成了超声手术刀 。

3. 3 　在传感器中的应用

       超磁致伸缩材料除用于驱动之外 ,利用其磁致伸缩效应或逆效应还可以制作检测磁场 、电流、应变 、位移 、扭矩、压力 和加速度等的传感器敏感元件。

3. 4 　其它方面应用

        超磁致伸缩材料的弹性模量随着磁场的改变变化极大 ,基于这种效应已制成可调谐的声波器件 ,如延迟线、滤波器和振荡器等。可变延迟线用于雷达、声纳的相位传感器和计算机的存储元件。多元稀土铁化合物存在一个补偿温度 ,在此温度下 ,其热膨胀系数从 5 ×10 - 6突然增大到 115 ×10 - 6 ,弹性模量也发生锐变 ,并可以通过改变材料的成分或磁场来改变补偿温度。利用该特性可制作热膨胀检测器件。

4 　超磁致伸缩材料国内研究开发现状

        20 世纪 80 年代中期 ,北京钢铁研究总院开始进行稀土一铁系超磁致伸缩材料的研究。此后 ,国内其他单位 ,主要包括中科院北京物理所、冶金部包头稀土研究院、中科院沈阳金属研究所、中科院上海冶金研究所、上海大学、北京科技大学和武汉工业大学等 ,也陆续开展了这方面的研究。从材料的组成、制备、应用等方面进行探索 ,并取得一定成果。

        在该类材料制备方面 ,国内技术已基本达到国际先进水平 ,但应用研究则明显落后于西方发达国家。我国作为稀土大国 ,资源优势没有得到充分的发挥和利用。冶金部钢铁研究总院和中科院声学研究所采用国产超磁致伸缩合金 ,研制出大功率低频声纳 。七一五研究所进行了多边形水声换能器的研究 。南京航空航天大学的顾仲权、朱金才等研究了磁致伸缩材料作动器在振动主动控制中的应用 ;哈尔滨工业大学的盖玉先等研究了以 GMA 为作动器 ,采用人工模糊神经网络控制的超精密机床隔振系统 ;海军工程大学的欧阳光耀、施引研究了超磁致伸缩作动器的设计方法 ,并将其作为振动主动控制的执行器 ,取得了较好的振动控制效果 。此外 ,浙江大学的夏春林、丁凡等研究了 GMA 在流体伺服元件中的应用 。

5 　结束语

       将超磁致伸缩材料应用于机电领域 ,有利于实现机电一体化。目前看来 ,超磁致伸缩材料的制备已取得重大突破 ,应用研究虽然仍处于起步阶段 ,但已取得显著成就 ,充分显示出该类材料的巨大潜力 ,因此 ,有理由相信超磁致伸缩材料将取代电致伸缩材料成为应用最广泛的功能材料。今后很长一段时期内 ,电致伸缩材料仍将获得广泛应用 ,并且这两种智能材料都需从调整成分结构入手加以改进。

       今后有必要不断进行成分调整与掺杂研究 ,并设计制做更多新的应用器件 ,不断改进材料性能以克服现有器件的不足 ,使稀土 —铁系超磁致伸缩材料能应用到生物医学工程、地震工程、天文观测等更多的新领域中去。

 

 

 

 

 

 

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