超磁致伸缩材料的特性及其发展应用

图1磁体磁畴在外磁场作用下发生转动引起磁体尺寸发生变化示意图Fig.1Themagneticdomainundertheeffectofexternalmagneticfieldoccurrenceofrotationandleadtochangesizemagnets超磁致伸缩材料的特性及其发展应用摘要：本文介绍了超磁致伸缩材料独特的性能及其发展历程。通过查阅大量的资料，阐述了超磁致伸缩材料在各个领域的应用及研究现状，并且对其今后的应用做了一些展望。关键词：超磁致伸缩材料；特性；应用引言随着科学技术的发展，稀土功能材料在科学领域中的研究和应用愈发重要和广泛，特别是在国防领域中，因而稀土材料成为了各个国家的战略性资源。我国近几年更是大力发展各种新型的稀土功能材料，这其中就包括了新型的稀土超磁致伸缩材料。稀土超磁致伸缩材料的应用非常广泛，对发展有源减震、航天燃料喷射系统、快速阀门控制、纳米级致动器、新型声纳系统、机器人等高新技术有着重要的影响]1[。1超磁致伸缩材料1.1产生磁致伸缩效应的机理在居里点温度以下时，铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积会发生微小的变化，这种现象称之为磁致伸缩效应，长度的变化是1842年由焦耳发现，亦统称为焦耳效应或者线性磁致伸缩]2[。由于体积磁致伸缩量非常小，研究和应用都主要是线性磁致伸缩领域，所以一般的磁致伸缩也就是指线性的磁致伸缩。产生磁致伸缩的机制是多方面的，有自发形变、场致形变、轨道耦合和自旋—轨道耦合相叠加、形状效应等原因，以下仅从场致形变的理论简单说明：在外磁场的作用下，多畴磁体的磁畴要发生畴壁移动和磁畴转动，结果导致磁体尺寸发生变化。当磁场比饱和磁场sH小时，样品的形变主要是长度的改变，体积几乎不变；当磁场大于饱和磁场sH时，样品主要表现为体积磁致伸缩。磁体磁畴在外磁场作用下发生转动引起磁体尺寸发生变化的示意图如图1所示]1[。1.2磁致伸缩材料的其他物理效应2磁致伸缩材料除了焦耳效应外，还有其他以下几种物理效应]3[：（1）维拉里效应，即磁致伸缩逆效应。在磁场中，给磁体施加外力作用，由于形状变化，导致磁化强度发生变化。（2）维德曼效应。在磁性体上施加适当的磁场，当有电流通过时磁性体发生扭曲变形的现象。（3）维德曼逆效应。当磁致伸缩材料沿轴向发生周向扭曲，同时沿轴向施加磁场时，则沿周向出现交变磁场的现象。（4）跳跃效应。当磁致伸缩材料外加预应力时，磁致伸缩呈跳跃式变化，磁化率也发生变化。（5）E效应。磁致伸缩材料由于磁化状态的改变而引起自身杨氏模量发生变化的现象。1.3超磁致伸缩材料特性早期发现的磁致伸缩材料的磁致伸缩量都很小，磁致伸缩系数约在10~60610之间，这种磁致伸缩材料被称为传统的磁致伸缩材料，它包括Ni、CoNi合金、AlFe合金等。但1972年美国的Clark博士发现二元稀土铁合金在常温下具有极大的磁致伸缩系数后，这种新型的磁致伸缩材料被称为超磁致伸缩材料（GiantMagnetostrictiveMaterial简称GMM），由于为稀土构筑，亦称稀土超磁致伸缩材料。近几十年人们不断对超磁致伸缩材料进行研究并开发应用，其中最著名的就是美国生产的Terfenol-D型号商品，这种稀土超磁致伸缩材料的性能不仅远远要好于传统的磁致伸缩材料，而且性能比压电陶瓷材料（PZT）更优越。总的来说，超磁致伸缩材料具有以下几大特点：（1）磁致伸缩系数非常大，是Fe、Ni等材料的几十倍，是压电陶瓷的3~5倍。正是这样大的伸缩系数，是使得超磁致伸缩材料发展迅速的根本原因所在。（2）超磁致伸缩材料的能量转换效率在49%~56%之间，而压电陶瓷在23%~52%之间，传统的磁致伸缩材料仅为9%左右，所以可运用此特性制造高能量转换效率的机电产品。（3）居里温度在300C以上，远比PZT要高，因此在较高的温度下工作都可以保持性能的稳定。（4）能量密度大，是Ni的400~800倍，是压电陶瓷的12~38倍，此特性适用于制造大功率器件。（5）产生磁致伸缩效应的响应时间短，可以说磁化和产生应力的效应几乎是同时发生的，利用这一特性可以制造超高灵敏电磁感应器件。（6）抗压强度和承载能力大，可在强压力环境下工作。（7）工作频带宽，不仅适用于几百Hz以下的低频，而且适用于超高频。2超磁致伸缩材料的发展2.1国外超磁致伸缩材料的研究发展20世纪60年代初，Legvold等人发现稀土金属Tb和Dy在低温下磁致伸缩系数非常大，但是有序化温度很低。1972年，美国的A.E.Clark博士发现2TbFe、2DyFe等二元稀土铁合金在温室下有很大的磁致伸缩系数。1974年Clark又发现了三元稀土铁合金的饱和磁致伸缩系数达到了310的数量级，远比其他材料的伸3图3超磁致伸缩大功率超声换能器Fig.3Giantmagnetostrictivehighpowerultrasonictransducer图2超磁致方环换能器Fig.2Giantmagnetostrictiveringoftransducer缩系数要大，并在1976年申请了此项专利并推向实用化。到20世纪80年代中期，开始出现了商品化的稀土超磁致伸缩材料，主要的代表为美国EdgeTechnologies公司生产的Terfenol-D和瑞典FeredynAB公司生产的Magmek86。其后日本、俄罗斯、英国和澳大利亚等也相继研究开发出2TbDyFe型的GMM]4[。在GMM应用方面，主要有美国海军开发的高灵敏磁致伸缩应变计、日本东芝公司设计的精度达到纳米级的超磁致伸缩致动器、美国J.M.Vranish利用蠕动原理研制的步进式微型马达、瑞典公司开发的高精度燃料喷射阀、日本用Terfenol-D棒制成的微型隔膜泵等。2.2国内超磁致伸缩材料的研究发展20世纪80年代中期我国有关单位和院校就开始着手研究超磁致伸缩材料，主要有北京钢铁研究总院、中科院北京物理研究所、大连理工大学、浙江大学等，并且在材料制备和应用等方面取得了一定的成果。在材料制备方面，已有多家单位可以生产GMM，如北京有色金属研究院、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，通过掺杂改变比例成分的方法，可制备出各种性能优异的稀土超磁致伸缩材料，其制备方法已经达到了国际领先水平。在材料应用研究方面，冶金部钢铁研究总院和中科院声学研究所研制出了国产的大功率低频声纳；甘肃天星稀土功能材料有限公司研制了智能振动实效装置设备；2002年大连理工大学贾振元、杨兴等研究出了新型微位移执行器；2005年清华大学李翠红、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年王玉生利用GMM设计出新型平板扬声器等]5[。但与国际先进行列相比，我国在此材料应用研究方面整体还处于比较落后的位置。3超磁致伸缩材料的实际应用超磁致伸缩材料由于其独特且优异的性能被广泛应用于各个行业，特别适用于军事领域，是国防战略性资源材料。通过最近几十年的发展，以GMM材料为基础的工业产品就有上千种，以下仅从几大角度对GMM的应用进行分析。3.1声学应用领域（1）低频声纳探测系统4施加应力超磁致伸缩棒空气隙永磁铁轭铁图5超磁致伸缩轴向扭矩传感器Fig.5Giantmagnetostrictiveaxialtorquesensors图4超磁致伸缩力传感器Fig.4Giantmagnetostrictiveforcesensors在大功率低频声纳系统方面，国际上使用较多也较为先进的水声换能器是方环换能器]6[（如图2），是由美国的Gould公司与Rayfhlon公司共同研制生产出来的。它最大的特点是在低频中仍具备大功率，因而声信号衰减小，传输距离远，而且体积小，耐高压。在许多发达国家的海军装备中，其声纳系统都是由这种先进的GMM器材所构建。（2）超声应用系统由GMM制成的大功率超声换能器，不仅广泛应用于破碎、焊接、医疗器械、分离、清洗这些领域，还可使化工过程的化学反应加速、农作物大幅度增产等。一般的大功率磁致伸缩超声换能器结构如图3所示，它的基本工作原理为：线圈中通入交流电，产生交变驱动磁场，该磁场使超磁致伸缩棒频繁伸长、缩短，随着伸缩棒的伸长及缩短，输出杆产生超声振动，从而传递出大功率声能]7[。3.2力传感领域由于稀土超磁致伸缩材料存在一个重要的物理效应—磁致伸缩逆效应，人们就利用这一物理效应制备出了高灵敏力传感器]8[（如图4）。这种力传感器比压电陶瓷传感器的性能更突出，具有体积轻巧、抗干扰能力强、过载能力好、工艺简单、长寿命等优点，不仅可以用于静态力测量，还适用于动态力的测量，普遍适合在应用在重工业、化学化工、自动化控制系统等领域。日本的M.Sahashi等发明的接触型扭矩传感器，其灵敏度比传统的金属电阻薄膜扭矩应变计要高10倍]9[，日本Kyushn大学研制的非接触型扭矩传感器，可以测量瞬间扭。最近由我国研制的一种新型轴向扭矩传感器如图5所示，它具有非接触检测、高灵敏度、耐用及小型化等特点，适用于电动助力转向器]10[。3.3磁场探测领域利用磁致伸缩材料的正效应，可以制成各种各样的测量磁场强度的磁强计。最早的GMM磁强计是由美国衣阿华大学的R.Chung等人在1991年研发出来的，其传感器的灵敏度达到m71029.8，精度达到了mAm/101606]11[。现今在磁场探测领域对GMM的应用研究已经转变到了磁—光类型的传感器的研究，5图7超磁致伸缩液位传感器Fig.7Giantmagnetostrictiveliquidlevelsensors图6光纤磁场传感器Fig.6Fiber-magnetoelasticofsensor武汉理工大学已经开发出磁场光纤传感器原形，成功地将磁—电传感类型升级为磁—光传感类型，其性能指标动态范围为：GsGs2210~10，灵敏度为：GsGs4310~10，可用于自导武器引信等尖端领域]12[。国防科技大学的刘吉延等采用超磁致伸缩薄膜制成的光纤磁场传感器如图6所示，其采用了磁控溅射工艺，由计算机进行控制，在裸光纤表面镀制均匀的TbDyFe超磁致伸缩薄膜]13[。新型的磁—光类型传感器比传统的磁—电类型传感器灵敏度更大，广泛适用于地质探矿、生物工程、军事制导等领域。3.4精密控制领域由于GMM具有高响应速度、磁致伸缩灵敏、输出应力大等主要特征，现今普遍用于航天定位、精密油吸、微机器人等精密控制领域]1[。可以说，到目前为止，GMM在此领域的应用和人们对它的研究是最广泛和最为前沿的，用GMM制备的精密控制器件包括了薄膜型执行器、纳米级致动器、微型泵、高速开关等等。以下仅简单地介绍一下国外和我国在此领域的一些研究成果以及产品的应用原理。（1）新型液位传感器]14[美国的MTS公司首先将磁致伸缩原理用于液体测量技术，并开发出来了新型的油罐液体传感器，这种传感器可以实现非接触高精度地测量液体的液位和界位，而且具有多点测量多参数、寿命长等特点。而中国还处在引进国外产品的应用研究与开发阶段，但发展很快。目前我国的一些公司比如瑞安市智能仪表公司、航天智控工程公司、康宇测控仪器仪表工程公司等都推出了自己生产的新型液位传感器。一般的GMM液位传感器结构如图7所示，其主要由保护套管、波导管、浮子和测量头组成，工作原理为：移动的磁浮子在波导管中就会产生轴向磁场，而脉冲发生电路产生脉冲，当此脉冲沿铜丝遇到轴向磁场时就形成螺旋形磁场，由于GMM的维德曼效应存在，波导管即产生波导扭曲，同时也产生一个应变脉冲的超声波信号，超声波即被接收转换成为电脉冲输送出去。61.调节栓2.外套3.骨架4.线圈5.超磁致伸缩棒6.推杆7.端盖8.滚珠a9.支点10.杠杆11.阀芯12.滚珠b13.进液口14.出液口15.钢珠16.弹簧17.阀体图9电液高速开关阀Fig.9Electro-hydraulicofhigh-speedswitchingvalve1.外壳2.线圈3.预压弹簧4.工作腔5.高压输入阀6.低压输入阀7.隔膜8.GMM棒9.永磁体图8高压薄膜泵Fig.8Me