稀土铁系超磁致伸缩材料的应用研究.docx

稀土 - 铁系超磁致伸缩材料的应用研究杜挺张洪平邝马华(冶金部钢铁研究总院工艺所 北京 100081)摘 要 本文对稀土 - 铁系超磁致伸缩材料的基本特性及应用前景进行了回顾与总结 ,剖析了该材料应用器件原理及结构 ,系统地介绍了国外稀土铁系超磁致伸缩材料在各个领域的应用及开发 情况 。展示了作者研制的低频水声换能器 ,该换能器具有低频 、宽频带及电流灵敏度高的特点 。 关键词 超磁致伸缩材料 器件 换能器the study on appl ication of refe2 ba sedgiant magnetostrictive material sd u t i n g zha n g hon g pi n g ku a n g m ah u a( cent ral iro n & steel research instit ute ,beijing 100081)abtract the basic p roperties of r efe2 giant magnetost rictive materials and applicatio n p rospect shave been reviewed. the p rinciple and st ruct ure of devices wit h t he materials have been p roposed. the applicatio ns and develop ment s of overseas r efe2 giant magnetost rictive materials in various fields were systematically int roduced. the t ransducer developed by writer , wit h t he p roperties of low specified reso2 nant f requency , widt h f requency band and high current sensitiyit y was discribed.key wo rds giant magnetost rictive material , device , t ransducer本世纪 70 年代开发的稀土 - 铁系超磁致伸缩材料 ,近几年作为一种高科技新功能材料 得到了迅速发展 。这种材料由于具有很大的 室温磁致伸缩应变量 ,高的机械能 - 电能转换 率 ,能量密度高 ,发生应力大 ,机械响应快等优 异特性 , 因而有着广泛的应用前景 。1 超磁致伸缩材料的应用基础1体上形成适当的磁路 , 有电流通过时 , 磁性体发生扭曲变形 。( 5) 逆 viedemann 效 应 : 使磁性体发生机械扭曲 , 则在二次线圈中产 生电流 。( 6) j ump 效应 : tb 系超磁致伸缩 材料 , 外加预应力时 , 磁致伸缩随磁场而产生跃变式增加 , 磁化率也改变 。利用以上现 象 , 可以做成各种超磁致伸缩器件 。2 超磁致伸缩材料的应用前景表 1 列出了超磁致伸缩材料的 应 用 范 围26。图 16 是超磁致伸缩材料的器件原理示意图3。3 国际上超磁致伸缩材料的应用开发情况由于稀土 - 铁系超磁致伸缩合金具有许 多优异性质 , 以及开发应用的可行性 , 引起(1) jo ule 效应 :磁性体外加磁场时 ,其长度发生变化 , 可用来制作磁致伸缩致动器 。(2) villari 效应 : 在一定磁场中 , 给磁 性体施加外力作用 , 其磁化强度发生变化 ,即逆磁致伸缩现象 , 可用于制作磁致伸缩传 感器 。(3) e 效应 : 随磁场变化 , 杨氏模量也发生变化 。( 4 ) viedemann 效 应 : 在磁性 174 金属功能材料1997 年世界 范 围 的 广 泛 兴 趣 。美 国 的 edge声纳是潜艇的眼 、耳和口 , 军事上对超磁致伸缩材料特别重视 , 声纳也就成为超磁 致伸缩材料最早 、最主要的应用器件 。美国 海军在 70 年代就进行了水下超磁致伸缩声 纳设备的研制工作7 ,8, 这种声纳用于潜艇上 , 水下探测距离已达数千 km 。法国也开 发了超磁致伸缩声纳换能器9 ,10。日本科学tech2nolo gies 公司和瑞典 abb 公司最早把超磁致伸缩合金棒材投放市场 。目前从事超磁致伸 缩材料研究的 , 包括美国 、瑞典 、德国 、俄 罗斯 、英国 、法国 、日本等已有 50 多家公司 , 正在或准备开发这种材料的各种可能应 用 。图 1 超磁致伸缩材料致动器fig. 1 actuator with giant magnetostrictive materials图 3 超磁致伸缩材料超声波发生器fig. 3 superson ic generator图 2 超磁致伸缩材料矩形换能器fig . 2 rectangular transducer图 4 超磁致伸缩材料杠杆放大器fig. 4 lever a mpl if ier第 4 期杜 挺等 :稀土 - 铁系超磁致伸缩材料的应用研究 175 器22。日本明治大学研制了用于原子能发电所的配管用超磁致伸缩防震装置 , 并打算 开发用于建筑的防震装置23。美国开发了 超磁致伸缩可变延迟线24。瑞典 abb 公司 开发了用于海底气体 、液体操作用的超磁致 伸缩液泵 , 瑞典设计了使用超磁致伸缩合金 的燃料喷射阀门装置 。4 国内研究开发简况4 . 1 国内研究情况本世纪 80 年代中期 , 冶金部钢铁研究 总院开始进行了稀土 - 铁系超磁致伸缩材料的研究 , 近几年国内其他单位 , 中科院沈阳金属所 、中科院上海冶金所 、中科院北京物 理所 、冶金部包头稀土研究院 、上海大学 、北京科技大学等 , 也陆续开展了这方面的研 究工作 。初步研制出 tb - dy - fe 三元及四元系25、sm - fe 二元及多元系多晶和定向 晶超磁致伸缩材料 。从材料的组成 , 制造技 术 、应用等方面进行了探索研究 , 并已得到 了一些成果 。4 . 2超磁致伸缩材料水声换能器的研制 稀土 - 铁系超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数是传统磁致伸缩材料 (如镍 、铁氧体等) 的 40 倍 , 也比压电材料 ( pzt) 的 应变大 4 倍以上 , 巨大的磁致伸缩系数及良 好的抗压强度 , 使其具有比压电材料高 1530 倍的能量密度 , 除此之外 , 它还具有 比传统材料低一半的声速 , 因此 , 稀土 - 铁系超磁致伸缩换能器的共振频率比同样尺寸 的压电陶瓷换能器的共振频率低得多 。钢铁研究总院作者科研开发组和中科院 声学研究所协作研制水声换能器26。水声换能器的设计采用预应力结构 , 因稀土 - 铁系超磁致伸缩材料具有良好的抗压强度 , 对 其施加预应力 , 可以使材料的能量充分发挥 出来 , 同时 , 稀土 - 铁系超磁致伸缩材料的 抗拉强度差 , 对其施加预应力则可防止材料 在工作状态下受到拉应力 , 避免材料受到损 坏 。此外 , 为了让超磁致伸缩材料处于最佳图 5超磁致伸缩材料流体驱动活塞fig. 5 fluid actuation valve图 6 超磁致伸缩材料流体喷射阀fig. 6 fluid spray nozzle技术中心与 n kk 冲绳电子工业公司共同开 发了用于海洋音响层折 x 射线照相术的超 磁致伸缩低频声纳振子11 ,12。美国研制了超磁致伸缩激光二极管磁场 计13。日本住友轻金属工业公司与日本仪 器制作所共同开发了高响应性高精度控制流 量的 超 磁 致 伸 缩 泵 , 可 精 确 控 制 10 - 3 103 ml/ min 数 量 级 范 围 内 的 流 量14 ,15。美 国也开发出用于准确控制液体流量的超磁致伸缩 阀 门16。美 国17、瑞 典 、西 德 、日本18都分别研制了用超磁致伸缩材料和压 电材料组合的单向直线电动机 。日本茨城大学和东芝综合研究所已开发出超磁致伸缩材料的高精度 , 大功率位移致动器19 ,20。日 本名古屋大学和东京理科大学研制了用于管 道等内部检修用超磁致伸缩机械手21。日 本东 芝 公 司 试 制 了 超 磁 致 伸 缩 小 型 扬 声 176 金属功能材料1997 年的工作状态 , 需要将磁致伸缩棒置于一个适当的偏置磁场中 , 偏置磁场的存在还可以避 免磁致伸缩棒振动频率比驱动电流频率加倍的 现 象 , 所 用 的 振 动 核 心 部 件 是 一 根10mm 50 mm 的 超 磁 致 伸 缩 棒 , 换 能 器 总和 300 mm , 重 2 kg 。分别在空气和水中测量了水声换能器的特性 , 测试结果为共振频率 2 . 4 k hz , 发射 电流灵敏度 s i = 173db , 频宽 800 hz , 机械 品质因数 q = 3 , 电 声 效 率 ea = 45 % 。实 验结果表明 , 稀土 - 铁系超磁致伸缩材料水clar k a eetal . u s patent , 4378258 . 1981 - 04 - 028 meeks s w et al . j am , 1977 ,62 :11589 claeyssen f et al . soc am suppl 1 , 1987 ,81 :38910111213claeyssen f et al . ieee trans magn ,1990 ,26 (2) :975 技术 ,1990 ,10 ( 8) :1金属时评 ,1990 ( 1412) :206chung r et al . j magn magn mater , 1992 , 104 - 107 :1455technology and mar ket , 1990 ( 8) :82日经机械 , 1991 ( 7) :116u s patent , 4158368 . 1976 - 05 - 12butler j l et al . soc am ,1990 ,88 ( 1) :7中村英次 . 住友轻金属技报 , 1990 ,31 ( 2) :46 江田弘 . 精密工学会志 ,1990 ,56 ( 2) :154 江田弘 . 精密工学会志 ,1991 ,57 ( 3) :134 福田敏男 . 机械设计 ,1991 ,35 ( 3) :89 佐桥政司 . 日本音响学会志 ,1990 ,46 (7) :591nikkel new materials ( 日经新材料) ,1991 , j uly. 34u s sel of nav y ( u sna) . u s patent ,3949351 . 1974- 06 - 03邝马华. 稀土 - 铁系超磁致伸缩材料和镧 、铈 、钕晶体 生长及性质研究 :学位论文. 北京 : 冶金部钢铁研究 总院 ,1992张洪平. 稀土 - 铁系超磁致伸缩材料的成分 、工艺 、结 构 、性质和应用研究 :学位论文. 北京 : 冶金部钢铁 研究总院 ,1993收稿日期 , 1996 - 09 - 051415161718192021222324声换能器具有低频大功率的特性 ,远优于同规模的压电换能器 。其性能远参考文献1 江田弘. 精密工学会志 , 1991 , 57 ( 3) :4452 冈本重庆 , 森辉夫. , 1990 , 10 ( 2) :413 江田弘. ,1990 ,10 ( 8) :344 金子秀夫. 未踏科学技术 ,1987 ,211 :275 金属时评 ,1980 ( 1360) :136 马昌贵 ,电子材料 ,1992 ( 2) :287 savage h t et al . u s patent , 4308474 . 1979 - 11 - 14 ; koo n n c et al . u s patent , 4375372 . 1972 - 03 - 16 ;2526(上接第 172 页)了合金低磁场下的磁致伸缩 , 但降低了合金 的最大磁致伸缩 。所有这些超磁致伸缩材料在不同磁场下的磁致伸缩见表 4 。3结论(1) tb0 . 27dy0 . 73 fex 合金的居里温度为355375 , zn 、ti 、al 及 cr 的加入降低 合金的居里温度 。(2) 加 al 和 cr 增加室温下合金的饱和 磁化强度 。(3) 热处理后 , 合金的饱和磁化强度 , 除含 zn 合金外 , 均增加 。热处理会降低合 金的矫顽力 。(4 ) cr 加 入 合 金 中 会 增