（电机与电器专业论文）磁控形状记忆合金执行器驱动的无阀泵的研究.pdf

磁控形状记忆合金执行器驱动的无阀泵的研究 s t u d yo na v a l v e l e s sp u m pd r i v e nb ym a g n e t i c a l l yc o n t r o l l e ds h a p e m e m o r ya l l o ya c t u a t o r a b s t r a c t p r e c i s i o nm o t i o na n dp o s i t i o nc o n t r o la c t u a t o r sw h i c hc a np r o v i d eg r e a t e rf o r c e sa n d t o r q u e sw i t h i ng i v e nv o l u m ea n dw e i g h ta r ei ng r e a tn e e di nm o d e mi n d u s t r y n o w a d a y s ， m o r ea n dm o r ef u n c t i o n a lm a t e r i a l sc a nb ea d o p t e dt og e n e r a t em e c h a n i c a lm o v i n g n e w k i n d so fa c t u a t o r sb a s e do ns m a r tm a t e r i a l sa r ep a i dm o r ea t t e n t i o nt o m a g n e t i c a l l y c o n t r o l l e ds h a p em e m o r ya l l o y ( m s m a ) i san e wt y p eo ff u n c t i o n a lm a t e r i a lf o u n di nr e c e n t y e a r s ，w h i c hh a sn o to n l yl a r g es h a p ev a r i a t i o na n df a s td y n a m i cr e s p o n s eb u ta l s oh i g hp o w e r d e n s i t ya n dh i g he f f i c i e n c yo f e l e c t r o m e c h a n i c a le n e r g yc o n v e r s i o n i tw i l lb eak e ym a t e r i a l o f t h en e wk i n d so f i n t e l l i g e n ta c t u a t o r sa n ds e n s o r s i nt h i st h e s i s ，t h ec r y s t a ls t r u c t u r ea n ds h a p ev a r i a t i o nm e c h a n i s mo fm s m aa r e a n a l y z e d t h ep h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h er a n g eo fw o r k i n gt e m p e r a t u r eo fm s m a a r e p r e s e n t e d t h e s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fm s m ah a sb e e na n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y t h er e l m i o n s h i pb e t w e e nt h es t r a i no f m s m a a n dt h e v a r y i n go f t e m p e r a t u r e s ， e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l da n dp r e s t r e s s e sa r ea s c e r t a i n e d t h er e v e r s ee f f e c to ft h em s m ah a sa l s ob e e ns t u d i e di nt h i st h e s i s 1 1 br e v e r s ee f f e c t o f t h em s m ai st h em a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i cu n d e rt h ee x t e r n a lf o r c e t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e f o rs t u d yt h er e v e r s ee f f e c to ft h em s m ah a sb e e ns e l f - d e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h et e s t r e s u l t s ，a san e wk i n do ff u n c t i o n a lm a t e r i a l ，t h em s m ac a nb eu s e di np o s i t i o n , s p e e da n d a c c e l e r a t i o ns e n s o r i nt h i st h e s i s ，av a l v e l e s sp u m pd r i v e nb yt h ed i f f e r e n t i a lm s m aa c t u a t o ri sp r o p o s e d t h ed i f f e r e n t i a lc o n t r o ls t r a t e g yc a nd e c r e a s ee x c i t i n gp o w e r , e l i m i n a t et e m p e r a t u r ei n f l u e n c e a n di m p r o v ew o r k i n g 丘e q u e n e ya n do u t p u tt o r q u e t h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h ed i f f e r e n t i a l m s m aa c t u a t o ra n dt h eo n e - w a yf l o wm e c h a n i s ma n ds t r u c t u r ed e s i g no f t h ev a l v e l e s sp u m p h a sb e e na n a l y z e d ap r o t o t y p ea n dt h ec o n t r o ls y s t e mh a v e b e e nd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y t h e a n a l y s i so ft h em a g n e t i cf i e l da n df l o wf i e l dh a sb e e nf i n i s h e d , a n dt h ep r e l i m i n a r yt e s th a s 沈阳工业大学硕士学位论文 b e e nt a k e n t h ef e a s i b i l i t yo ft h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o do ft h ev a l v e l e s s p u m pd r i v e nb yt h em s m a a c t u a t o rh a v eb e e np r o v e db yt h ea n a l y s i sa n dt e s tr e s u l t s k e yw o r d s ：m a g n e t i c a l l yc o n t r o l l e ds h a p em e m o r ya l l o y ，s e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c ， d i f f e r e n t i a la c t u a t o r ，v a l v e l e s sp u m p 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：蔓起日期：2 丝z 兰! ! z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 葛超 导师签名：巧粗日期：二! 乙啦 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 在自动控制系统中，执行器扮演着非常重要的角色，它相当于人的四肢，接受调节 器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常执行。目前，执行器按其能 源形式可分为气动、液动和电动三大类，它们各有特点，适用于不同的场合【n 。然而， 随着现代工业特别是微型机器人和计算机控制技术的发展，对体积小、重量轻和高力能 密度运动及位置控制执行器的要求越来越高。采用传统技术制造的执行器不仅功率密度 ( 功率与重量或体积之比) 较低，而且多需要机械传动机构或变速系统，致使结构与控 制技术比较复杂。为此，利用新型智能材料制造的位置控制执行器的研究受到人们的关 注【2 j 。 智能材料又称机敏材料，它的基本特点是具有感知与驱动双重功能，即它能通过自 身的感知而获取外界信息，做出判断和处理，发出指令，继而调整自身的状态以适应外 界环境的变化，从而实现自检测、自诊断、自调节、自适应、自修复等特殊功能【3 】。随 着现代材料科学、微电子技术和计算机技术的快速发展，新型智能材料已成为材料科学 和电工领域的一个重要分支，在许多领域引起人们的兴趣并展现出广阔诱人的发展前 景。迄今为止，已研究的可用于制作位置控制执行器的智能材料主要有压电，电致伸缩陶 瓷、超磁致伸缩材料( t c r f e n 0 1 d ) 、形状记忆材料等。 压电陶瓷是具有压电效应的陶瓷材料，即在经极化处理的陶瓷体上沿其极化方向施 加一个机械力( 或释放压力) 时，陶瓷体会产生充( 放) 电现象，这就是正压电效应； 反之，若在陶瓷体上施加一个与极化方向相同( 或相反) 的电场，则会引起陶瓷片伸长 ( 或缩短) 的形变，被称为逆压电效应或电致伸缩效应。压电陶瓷微位移器因具有体积 小、承载力大、激励功率小、响应速度快、精度高、可控性强且不产生噪声等特点，非 常适应微机械、微机器人微小位移控制的要求，是一种理想的制作微位移执行器的功能 材料。目前国内外利用压电陶瓷材料制作微机械的例子很多，如广东工业大学与日本筑 波大学合作，已研制出一维、二维联动压电陶瓷驱动器，其位移范围分别为5 0 9 i n 和 5 0 1 堋x 5 0 1 z m 。在此基础上，还研制出位移范围为5 0 1 m a x 5 0 y a n x 5 0 9 m ，精度为o 1 岫的 磁控形状记忆合金执行器驱动的无阀泵的研究 三自由度压电陶瓷驱动的微型机器人。但由于压电陶瓷的极限应变小，最大不超过7 0 0 微应变，这也限制了其在行程要求较大的执行器中的应用【4 1 。 超磁致伸缩材料以其应变大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出力 大等特性，用以制作新的高效磁( 电) 机能量转换材料而受到学术界及工业界的广泛关 注【”。以f i b ，d y ) f e 2 为基的三元合金t b x d y l - x f e 2 y ( 0 2 7 彝卯3 ，o y o 5 ) 在室温附近有最 大的磁致伸缩与磁各向异性之比，被称为t e r f e n o l - d ，目前市场上所谓的稀土超磁致伸 缩材料主要指的这一类合金，其变形率可达到o 1 7 。目前稀土大磁致伸缩材料在频率 响应方面取得了重大突破。例如，使用磁致伸缩材料制成的执行器( a c t u a t o r ) 来进行有源 消振，可使飞机客舱内的噪声降低2 0 d b ，达到豪华轿车内的低噪声水平；还可使普通 轿车内的振动减弱3 0 d b 。在超声技术上，使用磁致伸缩材料能制造出功率更大、变幅 杆的位移更大的超声换能器；超声外科手术刀的尺寸比用压电陶瓷制成的超声手术刀小 而效率更高。由于这种磁控型的超磁致伸缩材料具有较高的频率响应速度，且易于控制， 非常适合于微位移执行器，同样，在位移控制系统、传感器技术、自动化与通信技术、 阀门和流量控制方面也具有广阔的应用前景，而且人们仍在探索开发这种材料应用的新 领域。目前国内外将超磁致伸缩材料应用于超精密加工中的微位移驱动器的例子也很 多，如西北工业大学研制的微位移驱动器可实现位移分辨率达0 5 r i m ，行程范围达4 0 t u n 。 然而与压电陶瓷材料类似，当位置控制执行器所需行程较大时，其变形量仍然过小，不 能很好的满足要求【6 ”。 形状记忆合金s m h ( s h a p em e m o r ya a o y ) 是指具有一定初始形状的合金在低温下经 塑性形变并固定成另一种形状后，通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的 一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其甄始形状的功能称为形状记忆效应1 8 】。其形 变温度范围一般在1 0 0 - - 2 0 0 。1 2 ，能够完全恢复的形变量可达6 - - 8 ，比超磁致伸缩材料 t c r f c n o l - d 变形率高出约5 0 倍。形状记忆合金作为一种特殊的新型智能材料，是集感知 与驱动于一体的智能材料，因其功能独特，可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠 的元器件而备受瞩目。自从1 9 5 1 年美国r e a d 等人在a u - c d 合金中首先发现形状记忆效 应( s h a p em e m o r ye f f e c t ，简称s m e ) 以来，人们开发出来具有形状记忆效应的合金有1 0 0 多种。按照合金组成和相变特征可分为三类：t i n i 基、c u 基和f e 基系形状记忆合金。 一2 沈阳工业大学硕士学位论文 由于这种合金变形量大，使工程上直接利用s m a 制造位置执行器成为可能。目前形状 记忆合金作为一种驱动能力强的功能材料，已广泛应用于航空、航天、机械、能源、交 通、生物医学和日常生活等领域，并己形成蓬勃发展的高新技术产业。上海交通大学已 经利用s m a 材料研制出了一种正方体型管内仿生蠕动机器人，用于核工业和煤气工业 中管道的检测和维修，防止核泄露和煤气泄露。然而，采用的记忆合金虽然可逆应变和 恢复力大，但因其马氏体相变是由温度变化驱动的，提供加热和散热冷却的条件都是不 可缺少的，特别是用以产生复杂运动控制器其控制机构比较复杂，实现起来不够方便。 另外在实际应用过程中，与加热时间相比，散热所要的时间要更长些。因此，为了尽快 返回原状态，常常需要利用空气或水进行强制冷却。热驱动的形状记忆材料普遍存在响 应频率低( 1 h z 左右) 的问题，在一定程度上和某些场合下限制了它们的更广泛应用。 磁控形状记忆合金m s m a ( m a g n e t i e a l l yc o n t r o l l e ds h a p em e m o r y - d l o y ) 是近年来才 被发现的一种新型智能材料，它结合了形状记忆合金应变大和磁致伸缩材料响应快的优 点，并因其突出的磁致应变性能受到广泛关注1 9 1 0 1 。磁控形状记忆合金的优势就在于它 兼具铁磁性和热弹性马氏体相变，利用磁场对合金中不利取向马氏体变体的z e e m a n 静 磁力，促使有利取向的马氏体变体长大并吞并不利取向的变体( 表现为挛晶界的移动) ， 从而产生宏观应变输出。典型的磁控形状记忆材料是n i z m n g - a 合金，其在室温下直线 变形率可达1 0 ，弯曲变形率可达1 8 。将m s m a 应用于位置控制执行器中，其主要 具有以下显著的优点： ( 1 ) 具有较大的变形率，其变形率超过超磁致伸缩材料t c r f c n o l - d 的变形率5 0 倍 以上； ( 2 ) 一种磁控型的形状记忆合金，易于控制，且变形率与所施加的磁场强度有较 好的线性关系： ( 3 ) 具有较高的动态响应速度，是温控型形状记忆合金频率响应速度的8 0 倍，可 以满足一般自动控制系统对执行器动态响应速度的要求； ( 4 ) 具有较高的能量转换效率和功率密度，m s m a 执行元件的输出功率密度已超 过l k w k g 。 磁控形状记忆合金执行器驱动的无阀泵的研究 磁控形状记忆合金兼具压电陶瓷和磁致伸缩材料响应频率快和温控形状记忆合金 输出应变和应力大的优点，有望成为未来新一代驱动器和传感器的关键材料。在我国， 对m s m a 材料的研究还处于起步阶段。尤其是对m s m a 材料的应用研究，除我们学校 自行研制设计了蠕动式直线电机外，还未见有其它报道。因此，对m s m a 执行器特性 及控制方法的研究具有深远的意义。 1 2 磁控形状记忆合金的发展概况 磁控形状记忆合金( m s m a ) 是一种具有较短历史的新材料。1 9 9 3 年，v a s i l e v f 研究 了n i 2 m n g a 单晶在7 7 k 低温下的压缩特性，测试了应力应变曲线，残留应变4 在 加热后消失，显示出形状记忆效应i n 】。直到1 9 9 6 年美国麻省理工学院的k u l l a k k o 博 士在材料工程与性能学报上发表了一篇题为：“磁控型形状记忆合金一种新型 的执行材料”，公布了该种新型材料模型实验结果之后，磁控形状记忆合金才被人们知 晓1 1 2 1 。2 0 0 0 年，m i t 的o h a n d l e y 博士在室温下3 2 0 k a m ( 4 0 0 0 0 e ) 的外场中观察到了 n i 2 m n g a 合金5 的切应变【1 3 1 。这一发现不仅大大提高了马氏体转变温度，也大大提高 了应变量，并远远超过了已有的超磁致伸缩材料水平。 m s m a 材料显著的特征是形状记忆效应可以由磁场来控制以及马氏体相具有大的 可恢复的磁感生应变。磁控形状记忆合金降温时会发生马氏体相变，它们具有传统形状 记忆合金的所有特性。然而，磁控形状记忆合金的最突出的应用功能在于它的马氏体变 体可以由外加磁场驱动重新排列而显示出类似磁致伸缩的宏观应变。因此，铁磁形状记 忆合金不仅具有普通形状记忆合金大应变和高推动力的特点，而且具有响应速度快和高 效率的优点。由于m s m a 材料独特的物理性能，使其呈现出的广阔的应用前景。因此， 近几年来受到人们的普遍关注，许多国家开始投入大量资金，试图对磁控形状记忆合金 的原理和应用进行系统的研究。 1 3 磁控形状记忆合金执行器的研究现状 在研制出m s m a 材料之后，k u l l a k k o 博士到赫尔辛基工业大学工作，并在芬兰刨 建了专门从事研究与开发m s m a 材料应用的a d a p t a m a t 公司。尽管美国、乌克兰等国 也在从事该项技术的研究，但以k u l l a k k o 博士为首的芬兰赫尔辛基工业大学和 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 a d a p t a m a t 公司在对m s m a 材料及执行器的研究开发上一直处于领先地位。近几年来， 他们在m s m a 材料的变形机理、磁控特性以及数学模型建立方面做了大量的工作，并 且取得了一些成绩。到目前为止，a d a p t a m a t 公司仍是全球唯一一家能够向外提供性能 优良的m s m a 材料样品的公司。图1 1 给出了购于a d a p t a m a t 公司的m s m a 材料样品 照片，该样品尺寸为5 x 5 x 2 0 m m ，在o 6 t 磁场作用下实测空载变形率约为4 。 图1 1 加磁场前后m s m a 元件变形量的比较 r i g 1 1s h a p ec o m p a r i s o no f m s m as p e c i m e nb e f o r ea n da f t e ra p p l y i n gm a g n e t i cf i e l d a d a p t a m a t 公司在m s m a 执行器的研究上同样处于领先地位，他们成功制造了一 些采用m s m a 元件驱动的执行器，当所用的m s m a 元件长度达到1 0 0 m m 时，执行器 最大输出位移可达到5 m m ，最大输出力达到2 k n ，而位置控制精度达到了l i m a 。图1 2 给出了由a d a p t a m a t 公司制作的a 5 - 2 型m s m a 执行机构的样机照片，该执行器的外形 尺寸为2 0 x 3 0 x 1 4 0 m m ，最大输出位移为3 m m ，最大输出力为3 n ，用直流驱动时其工作 频率可达到3 0 0 h z 。 图1 3 给出了由a d a p t a m a t 公司制作的a 0 6 - 3 型m s m a 执行机构的样机照片，该 执行器铁心采用高频材料做成，减小铁心中的涡流的同时使得加在m s m a 元件上的磁 场可以突变，从而提高执行器的工作频率。该执行器的在工作频率为2 0 0 h z 时有最大的 输出位移1 1 4 1 。 磁控形状记忆台金执行器驱动的无阀泵的研究 图1 2a d a p t a m a ta 5 2 型m s m a 执行机构 f i g 1 2 m s m aa c t u a t o r o f a d a p t a m a t a 5 - 2 图1 3a d a p t a m a ta 0 6 - 3 型m s m a 执行机构 f i g 1 3m s m a a g t u a t o ro f a d a p t a m a ta 0 6 - 3 此外，美国麻省理工大学( m i t ) 的o h a n d l e y 教授在m s m a 材料的机理以及变形特 性方面做了很多工作。他们通过实验证明了只有沿m s m a 易磁化轴接近垂直方向施加 磁场，方可获得最大变形；并且在同一磁场方向下，磁场强度( 或磁通密度) 越大， m s m a 所产生的变形越大。 同时，美国m a r y l a n d 大学的r o n a l dn c o u c h 与i n d e x j i tc h o p r a 教授也在m s m a 材 料及执行器研究方面做了大量的工作。他们建立了一套完整的m s m a 材料外特性研究 装置，对m s m a 材料进行了系统的实验研究，具体分析了m s m a 材料的动态与静态工 作特性。他们还获得了美国航空航天部( n a s a ) 的资助，研究m s m a 材料在旋翼飞机飞 行控制方面的应用l l 鲥。 近几年，国内许多高等院校、科研院所和企事业单位相继开展对s m a 材料的应用 研究，如大连理工大学、华中科技大学、华南理工大学等对s m a 执行器的开发与研究 作了大量的工作。甘肃省机械科学研究院已将t i - n i 温控形状记忆合金用于环抱式接骨 板和自加压骑缝钉等骨科器械。但国内对磁控形状记忆合金( m s m a ) 的研究起步较晚， 目前在国家8 6 3 项目的资助下，中国科学院物理研究所、北京航空航天大学、哈尔滨工 业大学、大连理工大学、上海交通大学以及钢铁研究总院等科研院所针对m s m a 合金 材料的样品制各方法、微观结构、相变特征、磁学特性、热滞后特性、力学性能等材料 性能和特点进行了研究，他们研制的n i 2 m n g a 单晶合金的磁致应变值从开始的0 2 发 展到了3 4 ，远大于磁致伸缩材料的磁致应变【1 6 1 。但是到目前为止，国内还没有研究 机构能够向外提供性能优良的材料样品，且m s m a 材料的脆性制约了该合金的实用化。 6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 在m s m a 材料的实际应用方面，除我们学校在m s m a 执行器方面做了部分研究外，国 内还没有其他机构进行这方面的研究。 1 4 本文的研究内容 磁控形状记忆合金具有可用磁场进行控制的双向形状记忆效应，而且具有非常大的 磁感生应变。同时，m s m a 本身兼具传感和驱动功能，已经成为智能材料研究的热门 之一。在这类合金中最早被发现和最具有代表性的是n i 2 m n g a 磁控形状记忆合金，该 材料依赖于成分可展示出预马氏体相变、马氏体相变和中间马氏体相变，而且相变温度 与材料的成分和内部应力及外部加载有密切关系，其隐含的物理内容非常丰富。另外， 因为n i 2 m n c , - a 合金兼具强磁性、大的磁控形状记忆效应和大的磁感生应变等多种功能 特性，且响应频率是s m a 响应频率的8 0 倍，所以在科学和工程上有着重要的研究价值 和广阔的应用前景。 由于m s m a 材料发展历史很短，目前对于其变形机理以及控制特性仍不是很了解。 m s m a 材料在外加磁场达到一定值时会发生应变和对外输出应力，但输出应变和应力 与外加磁场有什么样的关系还不清楚。除此之外，m s m a 材料具有传感器特性，即当 其形状发生变化时，自身的磁化强度会发生变化，磁化强度与材料的形变有怎样的关系 也没有一个清楚的认识。因此，在进行m s m a 执行器研究之前，需要对m s m a 材料的 外特性进行系统的研究分析。 目前，性能最好的m s m a 材料在磁场作用下可达到1 0 的变形率，因此，很多情 况下m s m a 材料的一次变形就可以满足执行器的需求。在磁场作用下，m s m a 变形后 具有形状记忆功能，并不能自动恢复到原始形状，这就需要在应用于执行器时考虑恢复 装置的设计。通常采用弹簧恢复m s m a 材料的变形，但是由于弹簧压力不能实时控制 以及具有固有频率等缺点，给m s m a 执行器设计带来了一些问题，这时就需要设计一 种特殊结构的m s m a 执行器和使用新的控制方法来满足需求。 m s m a 执行器具有较大的输出应变和应力，以及很高的工作频率，使得m s m a 执 行器具有广阔的应用前景。但m s m a 执行器在具体应用中存在哪些问题还不清楚，因 此需要对m s m a 执行器的应用作进一步的研究。综合以上几点，本课题的主要研究内 容如下： 磁控形状记忆合金执行器驱动的无阀泵的研究 ( 1 ) 对m s m a 材料的形变机理、形状记忆效应和磁感生应变进行了总结。分析了 m s m a 材料的工作温度区间和m s m a 材料的变形与所加磁场、温度以及预压力之间的 关系。 ( 2 ) 对m s m a 的传感器特性进行了研究，设计了一台用来测量材料逆效应的实验 装置，探索了m s m a 材料在自感知执行器中的应用。 ( 3 ) 为了减少励磁功率、消除温度影响和提高控制精度，设计了具有新型结构的 差动式m s m a 执行器。建立了差动式m s m a 执行器磁路模型，制作了实验样机，并对 其进行了试验分析。 ( 4 ) 提出了一种m s m a 执彳亍器驱动的无阀泵系统。采用有限元方法对整个系统进 行了理论分析，并制作了实验样机，进行了实验研究。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 磁控形状记忆合金的变形机理和外特性 2 1 引言 n i 2 m n g a 合金属于铁磁形状记忆合金，其形状记忆效应是由磁各向异性能( m a g n e t i c a n i s o t r o p y e n e r g y ) 驱动的，是奥氏体相在外场作用下产生马氏体相变而发生形状改变； 经相变形成的马氏体相经范性形变而改变形状后，可以通过加热或者去掉磁场的方式经 逆相变恢复到原来的奥氏体相，使得材料能完全恢复到形变以前的形状和体积， n i 2 i m n g a 可发生形变源自马氏体李晶变体( t w i nv a r i a n t s ) f h 磁场所致的再取向分布。从 宏观严格意义上讲，铁磁形状记忆材料引起的应变包括了磁致伸缩效应和磁场所致的马 氏体孪晶再取向等两方面因素引起的应变。但由于磁致伸缩应变相对于后者而言很小， 所以一般铁磁形状记忆材料引起的应变主要是指磁场所致的马氏体孪晶再取向所引起 的应变。 n i 2 j m n g a 合金是目前最可能实用化、研究最为完善的磁控形状记忆合金，它与 c o n i 、c o n i g a 、c o n i a i 和n i f e g a 等合金同属于铁磁形状记忆合金。由于n i 2 m r n g a 合 金不仅具有超磁致伸缩材料响应速度快和温控型形状记忆合金变形率大的特点，而且具 有大的力能密度，因此，它在运动与位置控制执行器应用中有巨大的潜力。然而，由于 发展历史较短，目前对n i 2 m n g - a 合金的磁控特性仍没有清楚的认识，这就使得n i 2 m n c r a 合金的应用受到了限制。因此，在n i 2 m n g a 合金能够更好的应用于执行器设计中之前， 深入了解其特性是必需的。 因为所有执行材料都具有逆效应，即传感器特性，因此，执行材料又可以用来制作 各种类型的传感器。现在应用最为广泛的是压电材料，它可以用来制作加速度传感器。 同时，磁致伸缩材料作为位置传感器在磁致伸缩执行器中也已经进行了研究。磁致伸缩 材料还可以被用作电压信号发生器。一般情况下，磁致伸缩材料可以作为位移、转矩、 力等传感器的传感单元。m s m a 作为一种新型的执行材料，也可以用于位置、速度或 者加速度传感器的应用中。与其它执行材料传感器相比，由于m s m a 材料具有很大应 变量率，因此，m s m a 材料可以用于大位移的传感器的应用中。 磁控形状记忆合金执行器驱动的无阕泵的研究 本章首先介绍了n i 2 m n g a 合金的晶体结构、相变特性以及变形机理。在此基础上， 对n i 2 m n g a 合金试样的相变温度及外特性进行了系统的分析。而后，介绍了m s m a 材 料的传感器特性，利用设计的实验装置对m s m a 材料的传感器特性进行了初步的实验 研究，最后探讨了m s m a 传感器的应用前景。 2 2n i ：m n g a 合金的晶体结构和马氏体相变 2 2 ，n iz m n o a 合金的母相晶体结构 n i 2 m n g a 属于h e u s l e r 型合金，是一种有序度很高的三元金属间化合物，母相奥氏 体的晶体结构为l 2 l 有序型体心立方结构，是典型的o ：( f m 3 m ) 型空间点阵结构，如图 2 1 所示。由图2 i 可以看出，l 2 i 结构是由a 、b 、c 、d 四种原子分别构成四个f e e 晶 格相互错套而成，四种原子分别占据( o ，0 ，0 ) 、( 1 4 ，1 4 ，1 4 ) 、( 1 2 ，1 2 ，l 2 ) 、 ( 3 4 ，3 4 ，3 4 ) 点阵位置。a 、c 点阵位置为n i 原子所占据，b 点阵位置为m n 原子 所占据，d 点阵位置为g a 原子所占据。与m n 原子最近邻的是8 个n i 原子，次近邻的 是6 个g a 原子，而m n 原予之间的间隔是第三近邻。原子问距分别为0 2 6 r i m 、o 3 n m 和o 4 2 n m 。m n 原子之间的磁耦合作用是通过n i 、g a 提供的巡游电子来完成，a 、c 、 d 位原子的巡游电子的结构决定了磁相互作用的大小和符号【i ”。 o o a f u i ) 8 ( m n ) c 0 q i ) d ( g a ) 图2 1n i 2 m n g a 磁控形状记忆和经的单晶结构 f i g 2 1t h el a t t i c es i n i c t u mo f n i z m n g aa l l o yi np a r e n tp h a s e 晶体n i 2 m n g a 是铁磁性合金，当温度降低到马氏体相交温度( m s ) 以- v 时，发生马 氏体转变，结构由立方晶格转交为四方晶格，相交同时伴随有体积膨胀，室温立方相的 沈阳工业大学硕士学位论文 点阵常数a = 0 5 5 2 5 n m ，在4 2 k 时，四方结构相的点阵常数a = 0 5 9 2 n m ，e - - - 0 5 5 6 6 n m ， e a = 0 9 4 ，马氏体相变沿c 轴的晶格常数变换最大可达6 5 6 。研究发现通过调整组分和 应用适当的制备工艺可获得具有择优取向并存在一定预应力的马氏体，获得较高的磁诱 导应变。 2 。2 2n i ：m n 6 a 合金中的马氏体相变 马氏体相变是指替换原子通过无扩散切交，即原子沿相界面作协作运动，使其形状 发生改变的相变。n i 2 m n g a 磁控形状记忆合金在冷却过程中，除了发生磁场有序化外， 还具有丰富的马氏体相变行为，通过内耗峰测试及t e m 观察表明，在相变的过程中， 同时伴随有一系列物理性能的异常变化，这说明在冷却时除了马氏体相变外，还存在中 间相变。加热过程中，在马氏体逆相变的温度区间会出现马氏体晶格软化现象，研究者 认为中间相变的产生可能与母相中的软模收缩有关。n i z m n g a 合金马氏体相变的主要特 征为x 射线及电子衍射花样的突变、产生热效应、电阻率下降、并伴有表面浮凸现象， 因此该合金的相变属于一级相变【l s 】。 n i 2 m n g - a 合金不仅在温度场的作用下发生热诱发马氏体相变，而且在外加应力场和 磁场的作用下，也可以产生应力诱发和磁场诱发马氏体相变。 ( 1 ) n i 2 m n c , a 合金的热诱发马氏体相变 n i 2 m n g a 是一种h e u s l e r 型合金，高温母相样品为l 2 l 有序型体立方结构，在冷却 过程中都要发生热诱发马氏体相变，然而，不同成分的合金相变行为的差别很大，对于 单晶样品n i 5 2 m n 2 4 j g a g 5 来说，在室温下，晶格常数为a = 0 5 8 2 4 n m ，当温度降低至马氏 体转变温度m s - - - 2 8 5 k 时，样品变为正交结构的马氏体，晶格常数为a = 0 5 9 4 0 n m ， b = 0 5 8 1 7 n m ，c = o 5 5 3 n m ，降低到中间马氏体相变温度t - - - 2 0 2 k 处，发生中间马氏体相 交，同时样品由正方结构变为四方结构，晶格常数为a = 0 5 9 4 0 n m ，c = 0 5 5 3 n m ，在马氏 体相变温度处，母相发生的是从p 到7 m 马氏体的转变，在中间马氏体相交温度处，发 生的是从7 m 到5 m 的转变，最终结构是5 m 马氏体，对成分为n i z m n 3 1 i g a i t ，7 合金的 m s = 4 4 6 k ，在冷却过程中，合金发生热诱发马氏体相变，最终要形成晶体结构为体心四 方的7 m 马氏体。另外，这种马氏体相变要产生热滞后，而这种热滞后来源于相界面推 移过程中的摩擦【1 9 , 2 0 1 。 磁控形状记忆合金执行器驱动的无阀泵的研究 ( 2 ) n h m n g a 合金的应力诱发马氏体相变 母相为b l 结构的n i 2 m n g a 合金除了可以发生热诱发马氏体相变以外，在外加应力 作用下还可发生应力诱发马氏体相变。n i 2 m n g a 在室温下，沿母相的 p i 压缩时， 将产生应力诱发马氏体相变，马氏体结构的c 轴平行于压缩轴，为5 m 马氏体，当沿 n i 2 m n o a 合金的 b l 方向施加拉应力时，首先形成5 m 马氏体，随着应力的增加， 以形成的5 m 马氏体会通过晶格对称及调幅周期的变化转变为7 m 马氏体，这种马氏体 的结构的a 轴平行于伸长方向。有人曾经对转变温度为2 9 3 k ，成分接近的合金进行了 室温下外加应力诱发马氏体相变的研究，观测到的应力诱发马氏体相变顺序为 p 5 m - 7 m ，与上述温度诱发的相变顺序p 7 m 5 m 不同：应力首先诱发了5 m 马氏体， 这意味着5 m 马氏体对外加应力更敏感【2 1 2 2 l 。 2 3ni ：m n g a 合金磁控形状记忆效应的机理 n i 2 m n g a 合金磁控形状记忆功能可用磁的各向异性解释。图2 2 为磁场作用下 n h m n g a 合金晶体结构调整取向的原理示意图。孪晶的短轴( 图中的c 轴) 是易磁化方 向，在没有外磁场的情况下沿元件的长轴取向，如图2 2 a 所示。在外磁场作用下另外的 孪晶变异体出现并逐渐增长，如图2 2 b 所示孪晶变异体的边界被外磁场所移动。当磁场 能量足够大时，晶胞的易磁化轴( c 轴) 转向外部磁场方向，如图2 2 c 所示。在外磁场 作用下，m s m a 元件的长度变化为a c ，即晶胞的长短轴之比瞄l 。 r 吱 4 a )b ) c ) 图2 2 磁场作用下m s m a 晶体变形原理示意图 f 培2 2s c h e m a t i ed i a g r a mo f m s m as h a p ev a r i a 虹o nu n d e rm a g n e t i c 毹l d 沈阳工业大学硕士学位论文 由于马氏体孪晶界受控于外磁场方向，故当外磁场转动时，马氏体挛晶将发生相应 的转动，在宏观上表现为往复的磁控形状记忆功能。因此，在具有较强磁晶各向异性的 合金中，孪晶界面移动的驱动力较大，由相界面移动引起的应变要小于孪晶界面移动而 引起的应变。为了获得较大的磁场诱导应变，提高母相奥氏体向马氏体转变率是非常必 要的。 2 4 磁控形状记忆合金的控制特性 2 4 1 磁控形状记忆合金的相变温度 m s m a 只有在低温相( 马氏体相) 下才能观测到磁控形状记忆效应。孪晶的易磁 化轴( 短轴) 才在外磁场作用下取向磁场方向，而孪晶的长轴沿垂直于磁场方向取向而 使m s m a 伸长，即具有磁控特性。通过研究发现，随着温度升高，虽然变形率有所增 大，然而m s m a 同时也在完成由马氏体向奥氏体的转变，一旦马氏体转交为奥氏体， 磁晶的各向异性不再呈现，单元晶格的磁矩可自由旋转对外加磁场取向，m s m a 的磁 控形状记忆特性随之消失。由于马氏体向奥氏体的转变温度决定了m s m a 执行器的工 作温度限度，因此，了解m s m a 的相变温度十分必要。 图2 3 为在温度的变化过程中，n h m n g a 单晶合金试样的马氏体与奥氏体之间相互 转换的关系曲线。合金试样奥氏体转变温度为以与一一马氏体转变温度为与m 从f o 图中可以看出，在升温过程中，当马氏体组织的n i 2 m n g a 合金试样温度升高到3 5 1 0 0 时，其内部组织开始由马氏体向奥氏体发生转变，随着温度的升高，转变过程仍在进行， 转变过程中试样内部为马氏体、奥氏体两种组织的混合体，当温度升高到4 6 1 0 0 时， 转变过程结束，试样的内部组织为奥氏体，此时n i 2 m n c r a 合金己不具有形状记忆功能。 在降温过程中，奥氏体组织的n i z m n g a 合金试样温度降到3 6 2 2 9 时，内部组织开始 由奥氏体向马氏体转变，随着温度降低，转变仍在进行，转变过程中n i z m n g - a 合金组 织仍由奥氏体和马氏体所组成，当温度降低到2 7 6 1 2 时，转变过程结束，试样的内部 组织转变为马氏体组织，此时n i 2 m n g a 合金具有很好的形状记忆功能。从升温和降温 的转换曲线还可以看出，试样的马氏体与奥氏体正逆转变点不同，存在着明显的热滞后 现象刚。 磁控形状记忆合金执行器驱动的无阀泵的研究 毫 、 姥 瘊 ih 【l n a k jl _ a f 一 一 r ， z 一、一 c “) l i n g i 温度 图2 3 马氏体与奥氏体之间相互转换温度的铡定结果 f i g 2 3t r m m f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eo f m s m a b e t w e e nm a r t e n s i t ea n da u s t e n s i t et e s t e d 如果需要n i 2 m n g a 合金实现大的磁场诱发应变，必须控制它的使用温度保持在低 于马氏体相变温度。n i 2 m n g a 合金试样的马氏体相变温度偏低，接近于室温，这就大大 限制了m s m a 的工作温度，给m s m a 的实际应用带来许多不便。目前，很多科研机构 都在提高n i 2 m n g a 合金相变温度方面进行研究，希望通过适当调整合金的化学成分以 及改善制备方法等方式，能够提高n i z m n g a 合金的马氏体相变温度，从而使得n i 2 m n g a 合金具有更广阔的应用范围。 2 4 2 磁控形状记忆合金的控制特性 ( 1 ) m s m a 的静态特性 n i 2 m n g a 合金静态特性是指合金的变形量与磁场强度、温度、预压力之间的关系。 本文给出了n i 2 m n g a 合金的变形量与磁场强度、温度、预压力之间的关系，并进行了 分析。 1 ) 恒定温度和恒定磁场下预压力与m s m a 变形的关系 当保持温度为3 1 c 和磁通密度为0 5 1 t 时，m s m a 试样进行的变形率与施加预压 力的关系曲线如图2