磁致伸缩材料的设计和应用

材料与设计磁致伸缩材料的设计和应用A.GOlabiAGrunwald(都柏林城市大学机械制造自动化学院)摘要：磁致伸缩效应是指材料在外加磁场条件下的变形。磁畴的旋转被认为是磁致伸缩效应改变长度的原因。磁畴旋转以及重新定位导致了材料结构的内部应变。结构内的应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于正向磁致伸缩效应）。在此伸展过程中，总体积基本保持不变，材料横截面积减小。总体积的改变很小，在正常运行条件下可以被忽略。增强磁场可以使越来越多的磁畴在磁场方向更为强烈和准确的重新定位。所有磁畴都沿磁场方向排列整齐即达到饱和状态。本文将展示磁致伸缩效应的研究方法现状和其应用，诸如：大型作动器响应、标准Terfenol-D作动器、基于Terfenol-D的直线马达（蜗杆驱动）、用于声纳换能器的Terfenol-D、用于无线旋转马达的Terfenol-D、基于Terfenol-D的电动液压作动器、无线型直线微型马达、磁致伸缩薄膜的应用、基于磁致伸缩效应的无接触扭矩传感器和其他应用。研究表明，磁致伸缩材料具有许多优良的特性，从而可以被用于许多先进设备。关键词：磁致伸缩效应；作动器；传感器；Terfenol-D1.前言磁致伸缩效应是指材料在外加磁场条件下的变形。磁致伸缩效应于19世纪（1842年）被英国物理学家詹姆斯.焦耳发现。他观察到，一类铁磁类材料，如：铁，在磁场中会改变长度。焦耳事实上观察到的是具有负向磁致伸缩效应的材料，但从那时起，具有正向磁致伸缩效应的材料也被发现了。对于两类材料来说，磁致伸缩现象的原因是相似的。小磁畴的旋转被认为是磁致伸缩效应改变长度的原因。磁畴旋转以及重新定位导致了材料结构的内部应变。结构内的应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于正向磁致伸缩效应）。在此伸展过程中，总体积基本保持不变，材料横截面积减小。总体积的改变很小，在正常运行条件下可以被忽略。增强磁场可以使越来越多的磁畴在磁场方向更为强烈和准确的重新定位。所有磁畴都沿磁场方材料与设计向排列整齐即达到饱和状态。图1中即为长度随磁场强度变化的理想化。磁畴的重新定位的物理背景在于简要、纲要性的描述图2。在0和1区间之间，提供的磁场很小，磁畴几乎不体现其定位模式。由材料如何形成所决定的内容或许是其通常的定位形式的一小部分，显出其永久性的偏磁性。其导致的应变与磁致伸缩材料的基本结构和材料化学成分均匀性有很大联系。在1-2区间，我们设想，应变与磁场之间存在几乎趋于线性的关系。因为关系简单，容易预测材料的性能，所以，大部分设备被设计工作于这个区间。曲线超过点2后，应变与磁场关系又变为非线性，这是由于大部分磁畴已经按照磁场的方向排列整齐。在点3，出现饱和现象，阻止了应变的进一步增加。另一个基于预应力和偏磁的现象可以用优化理论进行解释。磁致伸缩材料的性能在不同的应用中非常复杂，因为在运行过程中改变环境将改变材料的特性。对于复杂性的全面了解将有助于工程师开发出磁致伸缩材料的潜在优点并由此优化基于巨磁致伸缩效应材料的作动器。图3所示是长度在外加磁场作用下改变的理想化关系。当磁场反向施加，现象理应相反，即材料负向应变，但负向场产生了如同正向场的伸长磁致伸缩效应。曲线形状让人想起蝴蝶，所以，这条曲线又被叫做“蝴蝶曲线”。2.磁致伸缩效应铁磁类材料的晶体在磁场中会发生变形。这种现象被叫做磁致伸缩效材料与设计应。其与多种物理现象相关联。通常来说，磁致伸缩效应是机械能与电磁能之间的一种可逆能量转化。磁致伸缩材料因为其能够将能量从一种形式转化为另一种形式，从而在作动器和传感器中获得了应用。图4所示即为与磁致伸缩效应相关的各种物理效应之间的关系。与磁致伸缩效应相关的最为人们所知的效应就是焦耳效应。即铁磁棒在纵向磁场中体积扩张（由于正向磁致伸缩效应），或者缩小（由于负向磁致伸缩效应）。这种效应被广泛应用于磁致伸缩作动器中。磁致伸缩是一种可逆的材料特性。在磁场较弱的区域，试件形状即恢复至其原始尺寸。Terfenol-D材料的∆LL比例在1500ppm范围之上，在共振频率下，可以达到4000ppm之上。长度的增加（纵向应变）或直径的缩小（周向应变）大致与应用的磁场成比例，这种作动器机理可以被用于多种用途的。另一种广泛应用的磁致伸缩效应被称为维拉利效应。这种效应基于这样的现象，当外力施加于试件，穿过试件磁通密度由于磁场的产生而发生改变。磁通密度的改变量可以被拾波线圈所检测，同时还与所加外力的大小相关。维拉利效应是可逆的，并被应用于传感器。ΔE效应也是一种磁致伸缩效应。由于磁场的存在，试件弹性模量发生了改变。Terfenol-D材料的∆E𝐸比例大于5，因此被用于振动控制以及宽带声纳系统。由于弹性模量改变，磁致伸缩材料内部的声速发生了改变，而这种改变可以被检测到。魏德曼效应也是一种相关的效应。这种现象的背景与焦耳效应相似。只是，在磁场作用下，铁磁试件扭转位移所带来的切应变，代替了拉压应力-正应变的形式。魏德曼效应的逆效应被称为马陶西效应。在线圈中通入交流电，产生纵向磁场，这也反过来在试件中产生磁通密度。已有的交变磁通可以被另一个线圈所探测，拾波线圈可以测量磁通密度的变化率。扭转铁磁试件导致了材料与设计试件的磁性变化，从而导致了磁通密度变化率的改变。通过拾波线圈测试磁性改变，可以估测切应力的改变，进一步可以计算外加扭矩的大小。马陶西效应在铁磁性试件引入永磁偏置后得以完善，这一效应被用于传感器。一个额外的磁致伸缩效应是巴瑞特效应。在特定的极端运行条件下，材料体积会随磁场而改变。例如，镍在80Ka/m的体积改变率只有710-。由于磁场而变化的体积太过微小，以至于在通常工作状态下，可以被忽略。巴瑞特效应的逆效应被叫做长冈-本田效应，由于静压力而导致的试件体积变化，改变了磁场的状况。两个最为常用的磁致伸缩效应是焦耳效应和维拉利效应。他们可以由以下几个方程进行分析。首先是维拉利效应：dBssm=+……（1）方程（1）中，B表示磁感应强度，d表示磁致伸缩常数，σ表示应力改变，sm表示在恒定应力σ作用下的导磁系数。焦耳效应可以用相似形式的方程表示：HScdHs=+……（2）方程(2)中，S表示机械应变，Hc表示在恒定场强H下的柔度系数，ds是在恒定应力下的磁致伸缩常数。磁场强度H，可以如下计算H=IN……（3）I表示电流[A]，N为线圈匝数。由于典型的棒状试件轴向通常与磁场方向一致，因此，只有轴向的特性才被考虑。所以，d,μ,c可以被当做标量简化。在磁致伸缩效应的运行、应用过程中，以上参数并不保持恒定。关于这部分的内容将在下一章节中进行讨论。表1呈现出了一组不同材料的一些特性，以及它们经常被使用的地方。提供了一组关于传感器和作动器主流材料的比对。表1典型特征PZTTerfenol-DSMA激励原理压电材料磁致伸缩材料记忆合金延伸率0.1%0.2%5%能量密度J/3m2.5k20J1J频带宽度100kHz10kHz0.5kHz磁滞10%2%30%价位/3cm200$400$200$类似的技术概述在以下几篇文献中有所归纳。这些不同技术的分类可材料与设计以被用于选择最优技术。其他的材料特性（只与Terfenol-D相关）在接下来的篇章中被归纳整理。这些特征只能进行粗略的比较，因为每项应用的特性都是不同的。这些关于Terfenol-D产品特性的表格只在起点处有效，因为制造过程对于这些性能的准确性有着重大影响。同样，预应力大小和偏磁程度也对产品特性有着重大影响。3.巨磁致伸缩材料及特性巨磁致伸缩材料的发展（GMM）始于上世纪60年代，由A.E.Clark和其他研究者牵头。最好的结果是得到一种在商业上可以利用的合金0.30.71.9TbDFe，其在相对低磁场下产生大的磁应变，并能在比较宽的一个温度范围内工作。Terfenol是一种稀土铁合金。合金的方程式被称为Terfenol-D，“Ter”来自铽元素，“Fe”是铁的化学符号，“NOL”为海军军械实验室，“D”来自镝。（Ter+fe+nol+D）。Terfenol-D于上世纪70年代由海军军械实验室科学家A.E.Clark领导小组研发而来。Terfenol-D最早的一个用途是高性能声呐换能器。Terfenol-D能够在磁场强度为50-200kA/m条件下比大多数材料多产生1000-2000ppm磁应变，在材料机械共振频率和强磁场下更高达4000ppm。sLLlD=……（4）10004000ppmsl=-……（5）在Terfenol-D棒的典型应用中，ppm的概念被理解为试件长度该变量与106的乘积。图5所示为对于给定长度的Terfenol-D材料，所有的长度变化范围。使用Terfenol-D膨胀性质的设备通常被设计为使用机械零偏和电磁偏置，从而在材料特性曲线线性部分起点获得零点。当磁场被建立，材料特性将在曲线的线性部分变化，从而确保响应是可预测的以及成比例的，这一区段，响应可达2000ppm。磁致伸缩应变的最大用处是在磁致伸缩作动器的应用中，确定机械输出的关键参数。与其他磁致伸缩材料相比，Terfenol-D在较高应变和较高居里温度两者之间做出了比较恰当的权衡。磁致伸缩效应只在材料居里温度以下发生，但通常居里温度都在室温以下，这就导致了磁致伸缩效应没有多少实用的价值。表格3对比了不同磁致伸缩材料的几种典型应变。材料与设计由于材料的其他应用特性（磁滞、线性度等）也非常重要。其他的一些Terfenol-D的常用性质以及用于超磁致伸缩作动器设计的性质也被归纳于表3当中。表3Terfenol-D性质取值范围备注主要成分TbxD1-xFey0.27x0.3&1.9y2密度δ9250kg/m3取决于制造力学性能压力范围305-880Mpa应用中首选拉力范围28-40Mpa应用中避免弹性模量EH10-75GpaH为常数弹性模量EB30-80GpaB为常数声速1640-1940m/sΔE效应热力学性能导热系数12ppm/c不常用不常用导热率13.5W/mK@25c不常用电学性质电阻58-63*10-8Ωm不常用磁致伸缩特性相对透磁性μT/μ09.0-12.0常应力下透磁性相对透磁性μS/μ03.0-5.0常应变下透磁性饱和磁致伸缩点1.0T饱和程度可选MS耦合系0.6-0.85取决于应用数k33MS应变常数d338-20nm/A取决于磁场MS质量因子3.0-20.0取决于应用4.Terfenol-D产品Terfenol-D是一种稀土合金，银白色，室温下易碎，原料具有高反应活性并含较多杂质，不易制取。目前为止，至少已有四种不同方法制备Terfenol-D，并且利用了准生产的原则。最为常用的方法是MB和FSZM。在FSZM方法中，材料在熔点附近受表面张力作用悬浮。这种方法也被叫做定向凝固方法。在MB方法中，材料完全融化，晶体开始由晶种生长。由于从模具壁开始的内部结晶将会覆盖其基础，即轴向树突的生长，所以，Terfenol-D材料的最小直径大约为10mm。在两种方法中，材料的凝固特别控制，其方法为，通过减小热流来促进晶体结构的均匀性。这两种方法都可以被用于制造具有高磁致伸缩率和高能量密度的Terfenol-D棒。烧结和混合的流程更多被用于生产用于高频振动（大于1kHz）的Terfenol-D棒，诸如，涡流将会产生较大损失。基于烧结的技术可以更好的运用于具有复杂几何外形的情形。材料与设计固体棒直径可达65mm，长度可达200mm。板条式，有孔式，或其他特殊造型，如正方形截面，平板，盘状，目标喷溅Terfenol-D粉末的技术已经成熟，可以满足不同需求。最新的以及优化过的方法，在生产大体积、低成本产品中体现出了其广阔前景。Terfenol-D材料在较大拉力下会非常脆弱。其拉应力极限（28Mpa）相比起压应力（高达880Mpa），是非常小的。材料密度要高于常见的钢材，大约为9250km/m3。弹性模量一些Terfenol-D的性质在一个运行周期中并不恒定。其中一个是弹性模量，几乎随磁场发生近似直线的变化。ΔE效应的描述在图6中有所展示。弹性模量在磁通密度为常值的条件下，可以如下表示：33(1)H