超磁致伸縮材料發展及其應用現狀研究

作者：鄔義杰

 

 

 

 

 

       1842 年 ,焦爾發現 :當磁性體 (如金屬 Ni 、Fe 等)的磁化狀態改變時 ,其外型尺寸或體積會發生微小的變化 ,這就是磁致伸縮效應 ,又稱焦爾效應。磁致伸縮可分為 :線磁致伸縮和體積磁致伸縮。當磁性體被磁化時 ,沿磁化方向伸長或縮短 ,稱為線磁致伸縮。發生線磁致伸縮時 ,磁性體的體積幾乎不變。當磁化未達到飽和時 ,主要是產生線磁致伸縮 ,磁致伸縮一般均指線磁致伸縮。磁性體磁化狀態改變時 ,體積發生膨脹或收縮的現象則稱為體積磁致伸縮。磁性體磁化飽和以后主要產生體積磁致伸縮。在絕大部分磁性體中 ,體積磁致伸縮很小 ,實際的用途也很少 ,因此很少考慮它。磁致伸縮材料是指具有磁致伸縮效應的磁(電) ———機械能轉換材料 ,它的飽和磁致伸縮系數λs 通常為 10 - 6數量級。超磁致伸縮材料是具有大磁致伸縮系數的磁致伸縮材料 ,其λs 一般大于 3. 0×10 - 5 。

2 　超磁致伸縮材料的發展

       20 世紀 40 年代 ,Ni 和 Co 的多晶磁致伸縮材料進入應用 ;60 年代初 ,人們已發現稀土元素具有很多獨特的磁性。1963 年 ,Legvold 等人發現稀土金屬鋱(Tb) 和鏑 (Dy) 在低溫下的磁致伸縮是傳統磁致伸縮材料的 100～1000 倍 ,但它們的有序化溫度很低 ,而釓 ( Gd) 在居里溫度不低于室溫時的磁致伸縮值基本為零 。

       20 世紀 70 年代初 ,人們開始研究可在室溫下工作的超磁致伸縮材料。自 1971 年開始 ,美國海軍表面武器研究中心和愛阿華州立大學探索有實用意義的稀土超磁致伸縮材料。1972 年 ,A. E. Clark 發現 TbFe2 、DyFe2 等二元稀土鐵合金在室溫和低磁場下有很大的磁致伸縮系數[2 ] ;1974 年又發現三元稀土鐵合金在常溫下飽和磁致伸縮系數達到 10- 3數量級 ,磁機耦合系數大于 0. 6。1976 年公布了 C1ark等人在美國申請的專利 (US3949351) ,并將其推向實用化[3 ] 。后來 ,美國、瑞典和日本等的一些公司對三元稀土鐵合金進行了大量研究 ,采用不同工藝不同配比制成了具有各種規格和配比的超磁致伸縮材料。

       20 世紀 80 年代中期 ,開始出現商品化的稀土超磁致伸縮材料 ,產品主要有美國 Edge technologies公司的 Terfenol2D 和瑞典 Feredyn AB 公司的 Magmek 86 ,日本、英國等國家也進行了相關研究 ,取得一定成果 。1988 年以來 ,因材料制備工藝的突破 ,材料的制備與應用研究進入快速發展階段。1989 年全世界 Terfenol2D 合金產量僅為 100 kg , 1993 年約 1 000 kg ,1995 年達到 10 000 kg ,而到 1997年已達到 70 000kg。最近幾年來 ,Terfenol2D 的市場年增長率為 100 %。美國 Iarson 博土認為 ,稀土超磁致伸縮材料已進入穩定的需求增長期 ,其成長趨勢與 Nd - Fe - B 稀土永磁材料極為相似。

3 　超磁致伸縮材料工程應用研究現狀

        稀土超磁致伸縮材料一經發現 ,立即受到各國科技界、工業界和政府部門特別是軍事部門的高度關注。近年來 ,國外研制了近千種應用器件 ,批準的美國專利已超過一百多件。

3. 1 　在磁(電) —機換能器中的應用

       基于超磁致伸縮材料的微位移致動器具有大位移、強力、響應快、可靠性高、漂移量小、驅動電壓低等優點 ,因而在流體機械、超精密加工、微馬達以及振動控制等工程領域均顯示出良好的應用前景。 

3. 1. 1 　在流體機械中的應用

        目前 ,超磁致伸縮電 (磁) —機械能轉換器較多應用于微型泵、燃油噴射系統和各種閥門等產品中。瑞典 ABB 公司用 Terfenol2D 為驅動元件設計了流體泵 ;一家瑞典公司將 Terfenol2D 用于燃料噴射閥的驅動 ,并申請了專利 ;M. Goodfriend 等人采用超磁致伸縮致動器改造比例滑閥 ;Takahiro Urai 等采用超磁致伸縮致動器研制了直動式伺服閥 ; 日本用Terfenol2D 研制成功了微型隔膜泵 ;英國 SatCon Tec2nology 公司的 Dariusz A. Bushko 和 James H. Goldie用 Terfenol2D 棒制成了微型高壓隔膜泵 ,結合水力和電控裝置 ,可實現強力、大行程的水力驅動 ,既可線性輸出又可旋轉輸出 ,體積小且易于控制。該系統的總體框架和高壓隔膜泵結構系統包括 4 個功能子系統 :

(1)超磁致伸縮高壓泵 ,提供可控高壓水流源 ;

(2)水壓傳輸與分配系統 ,將水壓傳遞給線性或轉動致動器 ,并控制驅動方向 ;

(3) 常規線性或旋轉水力致動器 ,將高壓水流轉換成可供利用的力或者扭矩 ;

(4) 能源和電控系統 ,分別用于為高壓泵提供驅動電流和掌握控制閥的動作。

3. 1. 2 　在超精密加工中的應用

       目前 ,納米、埃米級超精密定位系統用致動元件大多使用壓電陶瓷材料 ,其輸出功率低 ,且必須采取有效措施防止沖擊力和高驅動電壓造成的短路等問題。超磁致伸縮驅動元件輸出位移是電致伸縮致動器的數十倍 ,且可低阻抗運行。日本茨城大學江田.弘和 Toshiba 公司的 obayashi 合作設計了納米級超精密定位超磁致伸縮致動器 ,用于大型光學金剛石車床的微進給裝置 。

3. 1. 3 　在微型馬達中的應用

       Cedrat Recherche 首次研制并測試了利用兩種振動模式間的機械共振實現的超磁致伸縮摩擦馬達。該馬達的定子由一個環和兩個 Terfenol2D 線性致動器構成 ,產生平移和屈曲兩種振動模式 ,兩種模式利用 90°相移進行耦合以產生橢圓振動 ,利用這種橢圓振動并借助摩擦即可將運動傳遞給兩個轉子 。德國的 L. Kiesewetter 利用 Terfenol2D 棒研制成功一種尺蠖式馬達 。當線圈通入電流并且位置發生變化時 ,超磁致伸縮棒交替伸縮 ,象蟲子一樣蠕動前進。美國的 J . M. Vranish 等利用蠕動原理采用超磁致伸縮材料開發出轉動式步進馬達 。

3. 1. 4 　在主動減振降噪機構中的應用

       主動減振降噪機構是利用傳感器檢測設備的振動位移信號 ,經控制器處理后反饋到致動器 ,由致動器產生大小相等、方向相反的位移以抵消振動。作為主動減振降噪系統執行機構的超磁致伸縮致動器最大輸出力可達數千牛頓 ,振動衰減量最大可達70 % ,頻率范圍為 0～5 kHz ,低頻持性好。美國的M. Anjanappa 等將超磁致伸縮致動器應用于振動的主動控制中 ,并對其工作原理進行了理論分析與實驗研究 ,首次給出了考慮熱效應的超磁致伸縮致動器的基本數學模型 。日本的 Ohmate K. 等采用 Terfenol2D 設計了三連桿臂型半主動振動控制裝置 ,可減緩由于地震、強風等產生的振動。該裝置可在 3 個直線或轉動方向產生可控的摩擦力和摩擦力矩 。在國內 ,南京航空航天大學的顧仲權等研究了磁致伸縮材料作動器在振動主動控制中的應用 ;哈爾濱工業大學的蓋玉先等研究了以 GMA 為作動器 ,采用人工模糊神經網絡控制的超精密機床隔振系統 ;海軍工程大學的歐陽光耀等研究了超磁致伸縮作動器的設計方法 ,并將其作為振動主動控制的執行器 ,取得了較好的振動控制效果。

3. 2 　在聲納中的應用

3. 2. 1 　在大功率低頻聲納系統中的應用

        聲納的核心元件是其換能器的能量轉換材料 ,以往的聲納大多采用壓電換能器 ,發射頻率都在 2 kHz 以上 ,但低頻聲納有其特殊的優越性。用 Ter2 fenol2D 制作的聲納具有低頻、大功率、尺寸小、重量輕的優點 ,不會產生高壓擊穿 ,它最早由美國海軍部門采用 ,且發展較快。國際上最先使用的 Terfenol2D 換能器是一種內方外圓形水下器件 ,稱為方環換能器 ,應用于美國Gould 公司和 Rayfhlon 公司最早的商品水聽器中。日本學者 wakiwaka 采用超磁致伸縮材料設計了聲納換能器。理論上 ,此換能器機電耦合系數可達 0. 73 ,聲源信號可達 192 dB 。我國冶金部鋼鐵研究總院和中科院聲學研究所采用國產超磁致伸縮合金 ,研制出大功率低頻聲納。七一五研究所進行了多邊形水聲換能器的研究。到2005 年 ,超磁致伸縮水下聲納將在世界范圍內普遍采用 ;除了水下聲納 ,超磁致伸縮聲納還應用于陸地聲納和工業聲納。陸地聲納用于地質工程和地質科學 ,工業聲納用于石油測井、輸油管堵塞定位和油田二次開采等。

3. 2. 2 　在超聲換能器中的應用

       用超磁致伸縮材料制作大功率超聲換能器 ,需克服高頻下的渦流損耗。為此 ,換能器的驅動元件須采用薄片疊層的方法制成。用超磁致伸縮材料制造的大功率超聲換能器 ,在清洗、除垢、分離、乳化、破碎、機加工、塑料焊接、探傷和醫療器械等方面具有廣泛的應用前景。ETREMA 公司用 Terfenol2D 制成了 3kW的超聲換能器 ,用于廢舊輪胎破碎 ;同時還用 Terfenol2D 制成了超聲手術刀 。

3. 3 　在傳感器中的應用

       超磁致伸縮材料除用于驅動之外 ,利用其磁致伸縮效應或逆效應還可以制作檢測磁場 、電流、應變 、位移 、扭矩、壓力 和加速度等的傳感器敏感元件。

3. 4 　其它方面應用

        超磁致伸縮材料的彈性模量隨著磁場的改變變化極大 ,基于這種效應已制成可調諧的聲波器件 ,如延遲線、濾波器和振蕩器等。可變延遲線用于雷達、聲納的相位傳感器和計算機的存儲元件。多元稀土鐵化合物存在一個補償溫度 ,在此溫度下 ,其熱膨脹系數從 5 ×10 - 6突然增大到 115 ×10 - 6 ,彈性模量也發生銳變 ,并可以通過改變材料的成分或磁場來改變補償溫度。利用該特性可制作熱膨脹檢測器件。

4 　超磁致伸縮材料國內研究開發現狀

        20 世紀 80 年代中期 ,北京鋼鐵研究總院開始進行稀土一鐵系超磁致伸縮材料的研究。此后 ,國內其他單位 ,主要包括中科院北京物理所、冶金部包頭稀土研究院、中科院沈陽金屬研究所、中科院上海冶金研究所、上海大學、北京科技大學和武漢工業大學等 ,也陸續開展了這方面的研究。從材料的組成、制備、應用等方面進行探索 ,并取得一定成果。

        在該類材料制備方面 ,國內技術已基本達到國際先進水平 ,但應用研究則明顯落后于西方發達國家。我國作為稀土大國 ,資源優勢沒有得到充分的發揮和利用。冶金部鋼鐵研究總院和中科院聲學研究所采用國產超磁致伸縮合金 ,研制出大功率低頻聲納 。七一五研究所進行了多邊形水聲換能器的研究 。南京航空航天大學的顧仲權、朱金才等研究了磁致伸縮材料作動器在振動主動控制中的應用 ;哈爾濱工業大學的蓋玉先等研究了以 GMA 為作動器 ,采用人工模糊神經網絡控制的超精密機床隔振系統 ;海軍工程大學的歐陽光耀、施引研究了超磁致伸縮作動器的設計方法 ,并將其作為振動主動控制的執行器 ,取得了較好的振動控制效果 。此外 ,浙江大學的夏春林、丁凡等研究了 GMA 在流體伺服元件中的應用 。

5 　結束語

       將超磁致伸縮材料應用于機電領域 ,有利于實現機電一體化。目前看來 ,超磁致伸縮材料的制備已取得重大突破 ,應用研究雖然仍處于起步階段 ,但已取得顯著成就 ,充分顯示出該類材料的巨大潛力 ,因此 ,有理由相信超磁致伸縮材料將取代電致伸縮材料成為應用最廣泛的功能材料。今后很長一段時期內 ,電致伸縮材料仍將獲得廣泛應用 ,并且這兩種智能材料都需從調整成分結構入手加以改進。

       今后有必要不斷進行成分調整與摻雜研究 ,并設計制做更多新的應用器件 ,不斷改進材料性能以克服現有器件的不足 ,使稀土 —鐵系超磁致伸縮材料能應用到生物醫學工程、地震工程、天文觀測等更多的新領域中去。

 

 

 

 

 

 

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