超磁致伸縮材料作為一種新型的智能材料,因?yàn)槠渚哂许憫?yīng)速度快、輸出力大、應(yīng)變量大、定位精度高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于磁一聲換能器、磁-機(jī)驅(qū)動(dòng)器、各種新型傳感器以及制備薄膜材料的應(yīng)用等領(lǐng)域,基于超磁致伸縮材料制成的超磁致伸縮致動(dòng)器是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn),已取得許多成果,但其還存在許多問(wèn)題。在查閱了大量的文獻(xiàn)資料后,本文針對(duì)致動(dòng)器設(shè)計(jì)中尚存在的問(wèn)題,在致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磁場(chǎng)優(yōu)化、性能分析等方面展開(kāi)了研究和實(shí)驗(yàn),同時(shí)對(duì)致動(dòng)器的進(jìn)一步優(yōu)化做了理論設(shè)計(jì)。本文首先從精密加工領(lǐng)域智能材料的出現(xiàn)介紹課題背景,對(duì)比超磁致伸縮材料與其它智能材料的優(yōu)勢(shì),然后詳細(xì)介紹了磁致伸縮效應(yīng)、超磁致伸縮材料的發(fā)展、特性以及應(yīng)用前景。結(jié)合國(guó)內(nèi)外超磁致伸縮致動(dòng)器的研究現(xiàn)狀和目前還存在的問(wèn)題,提出研究的意義和主要研究?jī)?nèi)容。其次,分析了致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)組成,闡述了致動(dòng)器的工作原理和設(shè)計(jì)方法,并結(jié)合致動(dòng)器設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該考慮的磁路結(jié)構(gòu)、溫控系統(tǒng)、預(yù)壓裝置等問(wèn)題,提一套自己的設(shè)計(jì)方案,其中包括GMM棒的選擇、激勵(lì)線圈的計(jì)算、溫控系統(tǒng)和預(yù)壓裝置的設(shè)計(jì),得到致動(dòng)器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。繼而,介紹電磁場(chǎng)有限元法,通過(guò)有限元磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行磁場(chǎng)仿真優(yōu)化,分析了在不同... 

【文章來(lái)源】：華僑大學(xué)福建省

【文章頁(yè)數(shù)】：78 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

線磁致伸縮示意圖

7因子，進(jìn)而削弱退磁能對(duì)其磁場(chǎng)的影響。退磁能公式為：12021.3式中是磁化強(qiáng)度，是退磁因子，與材料的形狀有關(guān)。2.自發(fā)形變自發(fā)形變可以理解成假設(shè)一個(gè)晶體在居里溫度以上時(shí)是一個(gè)球形，當(dāng)它在居里溫度以下未外加磁場(chǎng)時(shí)，晶體內(nèi)部的原子間的交換作用使其發(fā)生磁化，此過(guò)程對(duì)應(yīng)圖1.2所示。圖1.2自發(fā)形變示意圖3.場(chǎng)致形變?cè)阼F磁體中，電子間的相互耦合作用使電子的自旋磁矩自發(fā)排列起來(lái)，形成一個(gè)個(gè)微小的自發(fā)磁化區(qū)，這種自發(fā)磁化區(qū)叫作磁疇，磁疇磁化方向的旋轉(zhuǎn)是由于各向異性能（例如磁晶和機(jī)械）與外部施加場(chǎng)能之間的平衡引起的。當(dāng)未外加磁場(chǎng)時(shí)，磁疇的排列是混亂的，因而在整體上凈磁化強(qiáng)度為0，在宏觀上鐵磁體并不表現(xiàn)形狀或體積的變化。施加外加磁場(chǎng)后，磁疇發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在宏觀上表現(xiàn)出鐵磁體的伸長(zhǎng)，當(dāng)施加磁場(chǎng)達(dá)到飽和磁場(chǎng)值，鐵磁體內(nèi)部磁疇方向與外加磁場(chǎng)方向平行，鐵磁體伸長(zhǎng)達(dá)到極限，此時(shí)是飽和磁致伸縮狀態(tài)。場(chǎng)致形變的整個(gè)過(guò)程對(duì)應(yīng)如圖1.3所示。從自由能極小的觀點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)磁性材料的磁化狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，為了使系統(tǒng)始終保持總能量最小狀態(tài)，磁性體自身的形狀和體積都會(huì)發(fā)生變化，也就是磁致伸縮。自發(fā)形變和形狀形變兩方面帶來(lái)的磁致伸縮比較小，一般所說(shuō)的磁致伸縮是由場(chǎng)致形變引起的。

8(a)H=0(b)0<H<Hs(c)H>=Hs圖1.3磁疇內(nèi)磁矩隨外磁場(chǎng)變化情況1.2.3磁致伸縮材料的發(fā)展20世紀(jì)60年代，美國(guó)的ArthurEClark等人發(fā)現(xiàn)，Tb、Dy等稀土金屬單品物質(zhì)在磁場(chǎng)作用下能產(chǎn)生巨大的磁致伸縮，比鎳的應(yīng)變大三個(gè)數(shù)量級(jí)，但它們是在低溫下實(shí)現(xiàn)的。溫度條件的限制以及當(dāng)時(shí)壓電領(lǐng)域技術(shù)不斷成熟的事實(shí)阻礙了磁致伸縮材料的發(fā)展，為了找到提高材料的居里溫度、在常溫下得到穩(wěn)定的磁致伸縮的辦法，研究者們不斷改變稀土(rareearths，R)與鎳（Ni）、鐵（Fe）等元素的組合和原子量制成合金，其中稀土包括Tb、Dy、Sm和Ho等稀土元素，發(fā)現(xiàn)與稀土（R）-鎳（Ni）和稀土（R）-鈷（Co）化合物的正常居里溫度行為相反，稀土（R）-鐵（Fe）化合物的居里溫度隨稀土濃度的升高而增加，這種不尋常的物理特性，尤其是在稀土元素鋱（Tb）和Fe的化合物TbFe2中最為明顯，這就意味著該二元合金在室溫下能表現(xiàn)出很大的磁致伸縮。但是由于這種二元合金的磁晶各向異性能很大，只有在施加很大磁場(chǎng)的情況下，才能獲得較大的磁致伸縮值，這種特性限制了材料的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)不斷的研究，1974年，美國(guó)海軍防衛(wèi)研究所(NOL)的ArthurEClark等人開(kāi)發(fā)成功了一種三元稀土合金材料TbDyFe，其各向異性常數(shù)近乎為零，而且在常溫下能顯示巨大磁致伸縮，并將其推向?qū)嵱没痆17][18][19]。實(shí)際上，超磁致伸縮材料不并是特指某一種材料，而是一類材料的總稱，這些材料的磁致伸縮系數(shù)（λ≥300ppm）比普通的磁致伸縮材料要大，其中TbDyFe、TbDyZn、Fe-Ga、SmFe等稀土合金是比較具有代表性的超磁致伸縮材料。超磁致伸縮材料的制備工藝、磁致伸縮機(jī)理和相關(guān)器件的研究是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[20][21]。在科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)超磁致伸縮材料之初，它就受到各國(guó)科技界、工業(yè)界甚至政府部門特別是軍事部門的特別

【參考文獻(xiàn)】：
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