本文關(guān)鍵詞：超磁致伸縮材料發(fā)展動(dòng)態(tài)與工程應(yīng)用研究現(xiàn)狀，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

超磁致伸縮材料發(fā)展動(dòng)態(tài)與工程應(yīng)用研究現(xiàn)狀

一、問(wèn)題的提出

超磁致伸縮材料 ( Giant Magnetostrictive  Material ，簡(jiǎn)寫為 GMM ) 是一種新型的功能材料，在室溫下具有極大的磁致伸縮應(yīng)變，典型代表為 Terfenol-D，其飽和磁致伸縮系數(shù) λs，一般大于 3.0×10-5)。

早在 1842 年，焦耳發(fā)現(xiàn)鐵磁材料或亞鐵磁材料在磁場(chǎng)中磁化狀態(tài)改變時(shí)，其長(zhǎng)度和體積都要發(fā)生微小的變化，這一現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)，也名焦耳效應(yīng)。一般鐵磁體的磁致伸縮變形很小，約為 10-6，所以雖早在 19 世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了磁致伸縮現(xiàn)象，但并未引起廣泛的重視。在 20 世紀(jì) 60 年代，人們發(fā)現(xiàn)稀土金屬鋱 (Tb) 和鏑 (Dy) 的磁致伸縮是傳統(tǒng)磁致伸縮材料的 100～1000 倍，但該性能只能在極低溫度下獲得，，而釓 (Gd) 在居里溫度不低于室溫時(shí)的磁致伸縮值基本為零。此后人們開始探索在室溫也具有大磁致伸縮應(yīng)變的稀土合金材料。

在 1974 年，A.E.Clark 等人開發(fā)出常溫下具有大磁致伸縮且各向異性最低的三元稀土合金 TbDyFe，并將其推廣實(shí)用化，其 λs 達(dá)到 10-3 數(shù)量級(jí)，磁機(jī)耦合系數(shù)大于 0.6，這就是 GMM 的基礎(chǔ)。自 70 年代中期以來(lái)，DMM 研究的重點(diǎn)在材料的制備工藝以及各材料成分對(duì)其性能的影響，以及盡早實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)。至 90 年代前后，出現(xiàn)了商品化的 DMM 生產(chǎn)，主要有美國(guó)Edge Technologies 公司的 Terfenol-D，瑞典 Feredyn AB 公司的 Magmek 86，后來(lái)日本、俄羅斯、英國(guó)和澳大利亞等也相繼研究開發(fā)出 TbDyFe2 型GMM。

我國(guó)在 90 年代初開始研究 TbDyFe 晶體磁致伸縮材料，目前已有多家單位生產(chǎn) GMM，如北京有色金屬研究院、包頭稀土研究院、中科院物理研究所、甘肅天星稀土功能材料有限公司、浙江椒光稀土材料有限公司等。

二、超磁致伸縮材料(GMM)的性能特點(diǎn)

Terfenol-D 是稀土超磁致伸縮材料 (GMM) 的典型代表，作為一種新型高效的磁(電)-機(jī)械能(聲能)轉(zhuǎn)換材料，相比壓電材料 (PZT) 和傳統(tǒng)磁致伸縮材料Ni、Co 等具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、在室溫下，Terfenol-D 能量轉(zhuǎn)換效率高，機(jī)電耦合系數(shù)大于 0.7，即能量轉(zhuǎn)換效率高于 70%，鎳基磁致伸縮材料不到 20％，PZT 只有 50％ 左右；Terfenol-D 能量密度高，是 Ni 的 400~800 倍，是 PZT 的 14~30 倍；磁致伸縮應(yīng)變大，其靜態(tài)應(yīng)變飽和值λs 達(dá)1.5×103~2.0×10-3，在線性范圍內(nèi)也達(dá) 1.0×10-3，是 Ni 的 30 倍，PZT 的 3~5 倍；輸出力大，負(fù)載能力強(qiáng)，可達(dá)到 220~800 N。

2、Terfenol-D 的可控性好，其響應(yīng)速度小于 1μs，性能重復(fù)性好，而 PZT 的響應(yīng)速度約為 10 μs ，所以用 GMM 制作的執(zhí)行器適合用在高速響應(yīng)和精確定位的場(chǎng)合。

3、Terfenol-D 的可靠性強(qiáng)，用 GMM 制作的執(zhí)行器，一般是由激勵(lì)線圈驅(qū)動(dòng)，不存在 PZT 中退激化中引起的失效問(wèn)題，同時(shí)不存在老化、疲勞等問(wèn)題；另外，壓電換能器一般需要高達(dá)千伏的電壓驅(qū)動(dòng)，容易產(chǎn)生電擊穿等，而超磁致伸縮換能器只需低壓驅(qū)動(dòng)，這對(duì)于驅(qū)動(dòng)電源的要求大大降低了。

4、Terfenol-D 的頻率特性好，頻帶寬，尤其適合低頻區(qū)工作，在 0~5 k Hz 范圍內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于 PZT，可以應(yīng)用于制作水聲換能器，也可用于高頻環(huán)境，如：超聲加工、超聲診斷等。

稀土超磁致伸縮材料也存在一些缺點(diǎn)，如其固有的磁滯損耗，對(duì) GMM 應(yīng)用于超精密加工控制、準(zhǔn)確定位造成困難，電阻率低，會(huì)產(chǎn)生較大渦流損耗，導(dǎo)致高頻特性不是很好；抗拉強(qiáng)度低，材質(zhì)硬但脆易碎，機(jī)械加工困難，制造工藝復(fù)雜，單位成本高。這些缺點(diǎn)在一定程度上制約了 GMM 的推廣應(yīng)用。

三、國(guó)外超磁致伸縮材料工程應(yīng)用研究現(xiàn)狀

自從常溫下 GMM 的發(fā)現(xiàn)，對(duì) GMM 優(yōu)良特性的應(yīng)用一直受到科技界、工業(yè)界尤其是軍事部門的高度關(guān)注。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研制近千種應(yīng)用器件。

1、在檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

在磁場(chǎng)的作用下，GMM 會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮，這是GMM 的正效應(yīng)，利用此正效應(yīng)可以制作檢測(cè)磁場(chǎng)、電流、應(yīng)變等

各種元器件。1991 年美國(guó)依阿華大學(xué)的 R.Chung 等開發(fā)出一種超磁致伸縮激光二極管磁強(qiáng)計(jì)原型，精度為 1.6 X10-4μmA／m。海軍采用 GMM 開發(fā)了磁致伸縮應(yīng)變計(jì)，相比于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，它具有更大的動(dòng)態(tài)范圍、更高的靈敏度和精度，并且它的溫度依賴性小，可測(cè)應(yīng)變量最小達(dá)到 3×10-10。

在交變負(fù)載力的作用下，會(huì)引起 GMM 內(nèi)部磁化狀態(tài)的改變，這是 GMM 的逆效應(yīng)，利用其逆效應(yīng)，通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)的變化，可以將 GMM 制成扭矩、壓力、位移等傳感器件。日本東芝公司 M.Sahashi 等發(fā)明了用磁致伸縮薄膜制作的接觸型扭矩傳感器，其動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)快，靈敏度比傳統(tǒng)金屬電阻薄膜制成的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變計(jì)高 10 倍。MTS 系統(tǒng)公司是磁致伸縮位移測(cè)量技術(shù)的開拓者，其生產(chǎn)的 Temposonics 磁致伸縮線性位移傳感器和 Level Plus 液位計(jì)，適用于多種不同的工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境。磁致伸縮液位傳感器由測(cè)量頭、波導(dǎo)管、磁浮子組成，其中測(cè)量頭由脈沖發(fā)生、回波接收、信號(hào)檢測(cè)、處理電路組成，它是綜合利用浮力效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、磁機(jī)械效應(yīng)等原理進(jìn)行工作，通過(guò)檢測(cè)從發(fā)生電脈沖至接收到磁浮子的返回脈沖之間的實(shí)際間隔來(lái)計(jì)算液面和界面的位置。由于時(shí)間檢測(cè)可以達(dá)到很高的準(zhǔn)確度，而且還可采用溫度補(bǔ)償?shù)却胧源胖律炜s位移傳感器能夠達(dá)到很高的精度。

2、在磁電-機(jī)械換能器中的應(yīng)用

GMM 的磁電-機(jī)械換能器具有大位移、響應(yīng)快、可靠性高、驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)，因而在超精密加工、微馬達(dá)、振動(dòng)控制以及流體機(jī)械等工程領(lǐng)域均顯示出良好的應(yīng)用前景，是一種很有潛力的新型智能驅(qū)動(dòng)元件。

(1)在超精密加工中的應(yīng)用。目前精度達(dá)到納米級(jí)的超精密定位系統(tǒng)大多采用基于壓電陶瓷材料的致動(dòng)元件，其輸出功率低，且必須采取有效措施防止沖擊力和高驅(qū)動(dòng)電壓造成的擊穿短路等問(wèn)題，GMM 驅(qū)動(dòng)元件輸出位移是壓電致動(dòng)元件的數(shù)十倍，且可低阻抗運(yùn)行。日本茨城大學(xué)江田弘和東芝公司的Kobayashi 合作設(shè)計(jì)了定位精度達(dá)到納米級(jí)而動(dòng)超磁致伸縮致動(dòng)器，成功應(yīng)用于大型光學(xué)金剛石車床的微進(jìn)給裝置。

(2)在微型馬達(dá)中的應(yīng)用。F.Claeyssen 利用Terfenol-D 棒研制成功一種尺蠖式馬達(dá)。當(dāng)線圈中通入電流并且位置發(fā)生變化時(shí)，超磁致伸縮棒交替伸縮，從而像蟲子一樣蠕動(dòng)前進(jìn)。美國(guó) J．M．Vranish 等采用 GMM 也利用蠕動(dòng)原理，開發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)式步進(jìn)電機(jī)。

(3)在振動(dòng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用。主動(dòng)減振降噪機(jī)構(gòu)是利用傳感器檢測(cè)減振對(duì)象的振動(dòng)位移信號(hào)，經(jīng)控制器處理后輸出一個(gè)相應(yīng)的控制信號(hào)到致動(dòng)器，由致動(dòng)器產(chǎn)生大小相等、方向相反的位移以抵消振動(dòng)。采用超磁致伸縮致動(dòng)器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主動(dòng)減振降噪系統(tǒng)低頻特性好，振動(dòng)衰減量最大可達(dá) 70％，頻率范圍為 0~5 kHz。

日本的 K.0hmate K 等采用 Terfenol-D 設(shè)計(jì)了三連桿臂型半主動(dòng)振動(dòng)控制裝置，可減緩由于地震、強(qiáng)風(fēng)等產(chǎn)生的振動(dòng)。該裝置可在 3 個(gè)直線或轉(zhuǎn)動(dòng)方向產(chǎn)生可控的摩擦力和摩擦力矩。美國(guó) M.Anjanappa 等將超磁致伸縮致動(dòng)器應(yīng)用于振動(dòng)的主動(dòng)控制中，并對(duì)其工作原理進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，首次給出了考慮熱效應(yīng)的超磁致伸縮致動(dòng)器的基本數(shù)學(xué)模型。

(4)在流體機(jī)械中的應(yīng)用。目前，超磁致伸縮磁電-機(jī)械換能器廣泛地應(yīng)用于各種閥門、燃油噴射系統(tǒng)和微型泵。M.Goodfriend 等人采用超磁致伸縮致動(dòng)器改造比例滑閥；T.Urai 等采用超磁致伸縮致動(dòng)器研制了直動(dòng)式伺服閥；瑞典 ABB 公司用 Terfenol-D 為驅(qū)動(dòng)元件設(shè)計(jì)了流體泵；一家瑞典公司將 Terfenol-D 用于燃料噴射閥的驅(qū)動(dòng)，并申請(qǐng)了專利；日本用  Terfenol-D 制成了微型隔膜泵。英國(guó) SanTechnology 公司的 A.D.Bushko，和 J.H.Goldie 用Terfenol-D 棒制成了微型高壓隔膜泵，結(jié)合水力和電控裝置，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力、大位移的水力驅(qū)動(dòng)，既可線性輸出又可旋轉(zhuǎn)輸出，體積小且易于控制，其工作原理通過(guò)線圈驅(qū)動(dòng) GMM 棒發(fā)生伸縮動(dòng)作，推動(dòng)隔膜運(yùn)動(dòng)從而改變工作腔的容積，實(shí)現(xiàn)吸排油。

四、超磁致伸縮材料國(guó)內(nèi)研究開發(fā)現(xiàn)狀

20 世紀(jì) 80 年代中期，北京鋼鐵研究總院首先開  始進(jìn)行對(duì)稀土超磁致伸縮材料的研究。此后，國(guó)內(nèi)其它單位，主要包括中科院北京物理研究所、冶金部包頭稀土研究院、中科院沈陽(yáng)金屬研究所、蘭州天星公司、浙江大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京科技大學(xué)等，陸續(xù)開展了這方面的研究。從材料的組成、制備、應(yīng)用等方面展開探索，并取得了一定的成果。

冶金部鋼鐵研究總院和中科院聲學(xué)研究所采用國(guó)產(chǎn)超磁致伸縮合金，研制出大功率低頻聲納。七一五研究所進(jìn)行了多邊形水聲換能器的研究。甘肅天星稀土功能材料有限公司研制了稀土鋱鏑鐵大磁致伸縮材料、智能振動(dòng)實(shí)效裝置設(shè)備等。2002 年，大連理工大學(xué)的賈振元、楊興等研究了具有位移感知功能的超磁致伸縮微位移執(zhí)行器。2004 年，浙江大學(xué)的鄔義杰等提出將超磁致伸縮材料用于活塞異型孔加工的原理。2005 年，浙江大學(xué)的唐志峰對(duì)超磁致伸縮執(zhí)行器的相關(guān)基礎(chǔ)理論進(jìn)行了比較詳細(xì)的論述與實(shí)驗(yàn)研究；清華大學(xué)的李翠紅、葉子申等利用超磁致伸縮微驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了一種蠕動(dòng)機(jī)構(gòu)。2008 年，杭州電子科技大學(xué)的孟愛華等對(duì)將超磁致伸縮執(zhí)行器應(yīng)用在脈沖噴射開關(guān)閥進(jìn)行了研究；王玉生等將多個(gè) GMA 散布配置用于平板揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)；天津大學(xué)的鄭加駒、王洪禮等對(duì)超磁致伸縮磁力控制器件進(jìn)行了研究。

五、結(jié)語(yǔ)

超磁致伸縮材料作為三大智能材料之一，由于其優(yōu)異的性能特點(diǎn)，正受到相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注，其應(yīng)用范圍涉及到傳感器、流體機(jī)械、磁電-聲換能器、微型馬達(dá)、超精密加工領(lǐng)域等，充分顯示出了超磁致伸縮材料的巨大潛力。

從目前發(fā)展的趨勢(shì)可以看出，形態(tài)上的薄膜化、微型化將成為具有潛力的發(fā)展方向，而執(zhí)行與傳感功能融合形成的具有自感知功能的執(zhí)行器將成為超磁致伸縮材料器件研究的前沿。

在未來(lái)對(duì)超磁致伸縮材料的研究過(guò)程中，亦有必要不斷進(jìn)行成分調(diào)整和摻雜研究，不斷提高其響應(yīng)速度、飽和磁致伸縮系數(shù)、可控性、刺激轉(zhuǎn)換效率等，使超磁致伸縮材料應(yīng)用到地震工程、生物醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境工程等新領(lǐng)域中。

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