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超磁致伸缩材料发展动态与工程应用研究现状(转载)

发布日期:2019-03-27    浏览次数:95

一、问题的提出

超磁致伸缩材料 ( Giant Magnetostrictive  Material ,简写为 GMM ) 是一种新型的功能材料,在室温下具有极大的磁致伸缩应变,典型代表为 Terfenol-D,其饱和磁致伸缩系数 λs,一般大于 3.0×10-5)

早在 1842 年,焦耳发现铁磁材料或亚铁磁材料在磁场中磁化状态改变时,其长度和体积都要发生微小的变化,这一现象称为磁致伸缩效应,也名焦耳效应。一般铁磁体的磁致伸缩变形很小,约为 10-6,所以虽早在 19 世纪发现了磁致伸缩现象,但并未引起广泛的重视。在 20 世纪 60 年代,人们发现稀土金属铽 (Tb) 和镝 (Dy) 的磁致伸缩是传统磁致伸缩材料的 1001000 倍,但该性能只能在极低温度下获得,而钆 (Gd) 在居里温度不低于室温时的磁致伸缩值基本为零。此后人们开始探索在室温也具有大磁致伸缩应变的稀土合金材料。

1974 年,A.E.Clark 等人开发出常温下具有大磁致伸缩且各向异性最低的三元稀土合金 TbDyFe,并将其推广实用化,其 λs 达到 10-3 数量级,磁机耦合系数大于 0.6,这就是 GMM 的基础。自 70 年代中期以来,DMM 研究的重点在材料的制备工艺以及各材料成分对其性能的影响,以及尽早实现商品化生产。至 90 年代前后,出现了商品化的 DMM 生产,主要有美国Edge Technologies 公司的 Terfenol-D,瑞典 Feredyn AB 公司的 Magmek 86,后来日本、俄罗斯、英国和澳大利亚等也相继研究开发出 TbDyFe2 GMM

我国在 90 年代初开始研究 TbDyFe 晶体磁致伸缩材料,目前已有多家单位生产 GMM,如北京有色金属研究院、包头稀土研究院、中科院物理研究所、甘肃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、超磁致伸缩材料(GMM)的性能特点

Terfenol-D 是稀土超磁致伸缩材料 (GMM) 的典型代表,作为一种新型高效的磁()-机械能(声能)转换材料,相比压电材料 (PZT) 和传统磁致伸缩材料NiCo 等有以下优点:

1、在室温下,Terfenol-D 能量转换效率高,机电耦合系数大于 0.7,即能量转换效率高于 70%,镍基磁致伸缩材料不到 20%,PZT 只有 50% 左右;Terfenol-D 能量密度高,是 Ni 400~800 倍,是 PZT 14~30 倍;磁致伸缩应变大,其静态应变饱和值λs 1.5×103~2.0×10-3,在线性范围内也达 1.0×10-3,是 Ni 30 倍,PZT 3~5 倍;输出力大,负载能力强,可达到 220~800 N

2、Terfenol-D 的可控性好,其响应速度小于 1μs,性能重复性好,而 PZT 的响应速度约为 10 μs ,所以用 GMM 制作的执行器适合用在高速响应和精确定位的场合。

3、Terfenol-D 的可靠性强,用 GMM 制作的执行器,一般是由激励线圈驱动,不存在 PZT 中退激化中引起的失效问题,同时不存在老化、疲劳等问题;另外,压电换能器一般需要高达千伏的电压驱动,容易产生电击穿等,而超磁致伸缩换能器只需低压驱动,这对于驱动电源的要求大大降低了。

4、Terfenol-D 的频率特性好,频带宽,尤其适合低频区工作,在 0~5 k Hz 范围内的能量转换效率优于 PZT,可以应用于制作水声换能器,也可用于高频环境,如:超声加工、超声诊断等。

稀土超磁致伸缩材料也存在一些缺点,如其固有的磁滞损耗,对 GMM 应用于超精密加工控制、准确定位造成困难,电阻率低,会产生较大涡流损耗,导致高频特性不是很好;抗拉强度低,材质硬但脆易碎,机械加工困难,制造工艺复杂,单位成本高。这些缺点在一定程度上制约了 GMM 的推广应用。

三、国外超磁致伸缩材料工程应用研究现状

自从常温下 GMM 的发现,对 GMM 优良特性的应用一直受到科技界、工业界尤其是军事部门的高度关注。近年来,国内外研制近千种应用器件。

1、 在检测领域中的应用研究

在磁场的作用下,GMM 会产生磁致伸缩,这是GMM 的正效应,利用此正效应可以制作

检测磁场、电流、应变等各种元器件。1991 年美国依阿华大学的 R.Chung 等开发出一种超磁致伸缩激光二极管磁强计原型,精度为 1.6 X10-4μmAm。海军采用 GMM 开发了磁致伸缩应变计,相比于传统的半导体应变计,它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,可测应变量最小达到 3×10-10

在交变负载力的作用下,会引起 GMM 内部磁化状态的改变,这是 GMM 的逆效应,利用其逆效应,通过检测磁场的变化,可以将 GMM 制成扭矩、压力、位移等传感器件。日本东芝公司 M.Sahashi 等发明了用磁致伸缩薄膜制作的接触型扭矩传感器,其动态范围大、响应快,灵敏度比传统金属电阻薄膜制成的扭转应变计高 10 倍。MTS 系统公司是磁致伸缩位移测量技术的开拓者,其生产的 Temposonics 磁致伸缩线性位移传感器和 Level Plus 液位计,适用于多种不同的工业自动化环境。图 1 为磁致伸缩液位传感器,由测量头、波导管、磁浮子组成,其中测量头由脉冲发生、回波接收、信号检测、处理电路组成,它是综合利用浮力效应、磁致伸缩效应、磁机械效应等原理进行工作,通过检测从发生电脉冲至接收到磁浮子的返回脉冲之间的实际间隔来计算液面和界面的位置。由于时间检测可以达到很高的准确度,而且还可采用温度补偿等措施,所以磁致伸缩位移传感器能够达到很高的精度。

    2、在磁电-机械换能器中的应用

GMM 的磁电-机械换能器具有大位移、响应快、可靠性高、驱动电压低等优点,因而在超精密加工、微马达、振动控制以及流体机械等工程领域均显示出良好的应用前景,是一种很有潜力的新型智能驱动元件。

(1)在超精密加工中的应用。目前精度达到纳米级的超精密定位系统大多采用基于压电陶瓷材料的致动元件,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击穿短路等问题,GMM 驱动元件输出位移是压电致动元件的数十倍,且可低阻抗运行。日本茨城大学江田弘和东芝公司的Kobayashi 合作设计了定位精度达到纳米级而动超磁致伸缩致动器,成功应用于大型光学金刚石车床的微进给装置。

(2)在微型马达中的应用。F.Claeyssen 利用Terfenol-D 棒研制成功一种尺蠖式马达。当线圈中通入电流并且位置发生变化时,超磁致伸缩棒交替伸缩,从而像虫子一样蠕动前进。美国 JMVranish 等采用 GMM 也利用蠕动原理,开发出转动式步进电机。

(3)在振动控制领域中的应用。主动减振降噪机构是利用传感器检测减振对象的振动位移信号,经控制器处理后输出一个相应的控制信号到致动器,由致动器产生大小相等、方向相反的位移以抵消振动。采用超磁致伸缩致动器作为执行机构的主动减振降噪系统低频特性好,振动衰减量最大可达 70%,频率范围为 0~5 kHz

日本的 K.0hmate K 等采用 Terfenol-D 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。美国 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。

(4)在流体机械中的应用。目前,超磁致伸缩磁电-机械换能器广泛地应用于各种阀门、燃油喷射系统和微型泵。M.Goodfriend 等人采用超磁致伸缩致动器改造比例滑阀;T.Urai 等采用超磁致伸缩致动器研制了直动式伺服阀;瑞典 ABB 公司用 Terfenol-D 为驱动元件设计了流体泵;一家瑞典公司将 Terfenol-D 用于燃料喷射阀的驱动,并申请了专利;日本用  Terfenol-D 制成了微型隔膜泵。英国 SanTechnology 公司的 A.D.Bushko,和 J.H.Goldie Terfenol-D 棒制成了微型高压隔膜泵,其结构如图 2,结合水力和电控装置,可实现强力、大位移的水力驱动,既可线性输出又可旋转输出,体积小且易于控制,其工作原理通过线圈驱动 GMM 棒发生伸缩动作,推动隔膜运动从而改变工作腔的容积,实现吸排油。

四、超磁致伸缩材料国内研究开发现状

20 世纪 80 年代中期,北京钢铁研究总院首先开  始进行对稀土超磁致伸缩材料的研究。此后,国内其它单位,主要包括中科院北京物理研究所、冶金部包头稀土研究院、中科院沈阳金属研究所、兰州天星公司、浙江大学、大连理工大学、北京科技大学等,陆续开展了这方面的研究。从材料的组成、制备、应用等方面展开探索,并取得了一定的成果。

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。甘肃天星稀土功能材料有限公司研制了稀土铽镝铁大磁致伸缩材料、智能振动实效装置设备等。2002 年,大连理工大学的贾振元、杨兴等研究了具有位移感知功能的超磁致伸缩微位移执行器。2004 年,浙江大学的邬义杰等提出将超磁致伸缩材料用于活塞异型孔加工的原理。2005 年,浙江大学的唐志峰对超磁致伸缩执行器的相关基础理论进行了比较详细的论述与实验研究;清华大学的李翠红、叶子申等利用超磁致伸缩微驱动器设计了一种蠕动机构。2008 年,杭州电子科技大学的孟爱华等对将超磁致伸缩执行器应用在脉冲喷射开关阀进行了研究;王玉生等将多个 GMA 散布配置用于平板扬声器的设计;天津大学的郑加驹、王洪礼等对超磁致伸缩磁力控制器件进行了研究。

五、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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