磁致伸缩材料在功能材料中的应用

磁致伸缩材料在功能材料中的应用磁致伸缩材料在功能材料中的应用 磁致伸缩材料在功能材料中的应用摘要磁致伸缩材料是一种重要的 功能材料 当改变外磁场时磁致伸缩材料的长度及体积均会发生变 化 反之当材料发生变形或受力时材料内部的磁场也会随之发生变 化 它具有电磁能和机械能相互转换的功能 是声呐换能器的重要材料 在大桥桥梁减震 油井探测 海洋探测与开发 高精度数字机床 微位移传感器 高保真音响等方面有着广泛的用途 关键字磁致伸缩材料 功能材料1 特性磁致伸缩材料 图1 的重要特 点是具有磁致伸缩效应 即磁体在外磁场中被磁化时 其长度及体积均发生变化的现象 1 它由焦尔发现 所以又称焦尔效应 稍后 维拉里又发现了磁致伸缩的逆效应 即铁磁体在发生变形或 受到应力的作用时会引起材料磁场发生变化的现象 这种现象也称 为铁磁体的压磁现象 磁致伸缩效应可分为线磁致伸缩和体积磁致伸缩 其中长度的变化 称为线性磁致伸缩 体积的变化称为体积磁致伸缩 在绝大部分磁性体中 体积磁致伸缩很小 实际的用途也很少 因 此大量的研究工作和磁致伸缩材料的应用主要集中在线磁致伸缩领 域 因而通常讨论的磁致伸缩是指线磁致伸缩 使用材料长度的变化量与原长度的比值 也就是磁致伸缩系数来 表示磁致伸缩量的大小 它的单位是ppm 10 6 即百万分之一 伸缩范围通常为几十到几千ppm 磁致伸缩量虽然用肉眼无法观察到 但却在换能器和传感器上有着 强大的用途 图2是磁致伸缩示意图 图1磁致伸缩材料图2磁致伸缩示意图2 分类自从发现物质的磁致伸 缩效应后 人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能器件 与设备 为此人们研究和发展了一系列磁致伸缩材料 主要有三大类 1 传统磁致伸缩材料 包括磁致伸缩的镍基合金 铁基合金和铁氧 体 其磁致伸缩系数 值较小 使得它们没有得到推广应用 2 20世纪末发展的以Tb Dy Fe和SmFe材料为代表的稀土金属间化合物超磁致伸缩材料 2 其磁 致伸缩系数比传统磁致伸缩材料大1 2个数量级 因此称为稀土超磁 致伸缩材料 3 2000年美国的Guruswamy S等人 3 报道了一种由Fe和Ga组成的二元合金具有较高的 这是 一种新型的磁致伸缩材料 表1示出了这几种材料的分类和特点 表1磁致伸缩材料的分类材料分类组成磁致伸缩系数 10 6特点金属与合金铁氧体传统磁致伸缩材料镍基合金 Ni Ni Co Ni Co Cr等 和铁基合金 Fe Fe Ni Fe Al Fe Co V等 Fe3O4 Mn Zn铁氧体 Ni Co铁氧体 Ni Co Cu铁氧体20 80磁致伸缩系数小 居里温度高 机械性能好稀土金属 间化合物超磁致伸缩材料Tb Dy Fe SmFe1500 2000磁致伸缩系数大 材料抗拉伸能力弱 质地较脆 FeGa合金新型磁致伸缩材料FeGa 400磁致伸缩系数较大 强度高 脆性小3 应用磁致伸缩材料具有电磁能与机械能的转换功能 是重 要的能量与信息转换功能材料 特别是声纳换能器的重要材料 4 5 在海洋探测与开发技术 微位移驱动 减振与防振 减噪与防 噪系统 智能机翼 机器人 自动化技术 燃油喷射技术微传感器 微振动器及微马达等工程领域中有着广泛的应用前景 在国民经 济和工业生产中起着越来越重要的作用 3 1海洋探测与开发在水下声音的传播速度是1433m s 是在空气中 传播速度的4 3倍 声讯号是人们进行水下通讯探测侦察和遥控的主 要媒介 发射和接收声波的声纳装置 其核心元件一般由压电陶瓷或磁致伸 缩材料制成 图3为声纳原理示意图 发展稀土超磁致伸缩材料对发展声纳技术 海洋开发与探测技术将 起到关键性作用 Tb Dy Fe材料与压电陶瓷PZT相比有以下几个优点输出功率大 工作温度高 低电压驱动 滞后小 不老化 响应频率低 低频信号在水下衰 减小 传送距离远等 从而使得Tb Dy Fe已经在声纳系统首先得到应用 由于声纳对潜艇的重要性 美国的磁致伸缩材料的研究由美国海军 武器研究中心直接参与并控制 他们在磁致伸缩材料研究和军事应 用方面都处于领先地位 Fe Ga合金具有优异的的力学性能使得用Fe Ga合金制造的声纳装置在承受水下冲击和爆炸性能方面具有得天独 厚的优势 图3声纳原理图用超磁致伸缩材料制成的超声波发生器在捕鱼 海底 测绘 建筑和材料的无损探伤方面有很好的应用前景 6 8 瑞典ABB公司和挪威一家公司合作开发油井测 海底测绘用的Terfen ol D声纳 将Terfenol D的优良的低频声学特性和压电陶瓷的高频特性相结合 可以制作出 性能更好的声振动传感器 9 其频响宽 单向性好 图4微型振动器的设计原理图3 2微振动器由于Fe Ga合金具有良好的可加工性 韧性和较大的抗拉强度 可以加工成 所需的各种形状 只需要施加较低的磁场便可使Fe Ga合金材料产生变形 使得微型振动器的设计得以实现 这种振动器具有如下优点 良好的力学性能 结构简单且易于装 配 驱动线圈电阻小 驱动电压低 涡流损耗小 具有较大 的工作温度范围 图4是微振动器的示意图 3 3高能快速微型位移执行器超磁致伸缩材料不仅能输出较大的应力 而且响应速度快 因此可以用于高能快速微型机械的设计 用稀土 超磁致伸缩材料制造的微位移驱动器 可用于机器人 自动控制 超精密机械加工 红外线 电子束 激光束扫描控制 照相机快门 线性电机 智能机翼 燃油喷射系统 微型泵 阀门 传感器等 3 4减震与防震磁致伸缩材料可以用来做力学传感器 测量静应力 振动应力 扭转力和加速度等物理量 超磁棒可用于开发宏观的力传感器或压力传感器 日本东芝公司发明了用磁致伸缩薄膜做的动态范围大 响应快的扭 矩传感器 其灵敏度比传统金属电阻薄膜制成扭转应变计高10倍 利用逆磁致伸缩效应 机械能反转为磁能 原理 可为马达和精密仪 器设计阻尼减震系统 无损检测利用磁致伸缩材料发射机械弹性波 机械波在被检测件内 传播遇到缺陷时部分被反射回检测点从而被传感器检测到 这种技术可以用来检测斜拉大桥桥梁钢索 工业管道等 图5为磁致伸缩导波检测器 图5磁致伸缩导波检测器3 5微型传感器在微观领域里 薄膜和微机 电系统结构制备技术显著地减小了超磁致传感器的尺寸和成本 提 高了超磁致传感器的灵敏度和鲁棒性 特别是Fe Ga具有较强的韧性 能够在硅衬底上外延沉积使得它非常适合在微 观传感器领域中的应用 超磁致Fe Ga合金纳米线在小型声传感器中同样具有广阔的应用前景 如图6所示 它能通过提高纵横比来外延分解声波信号的各种频谱 其灵敏度可以控制在较小的频带内 图6应用Fe Ga合金纳米线技术的声波信号频谱外延分解原理图结论作为一种重 要的功能材料 磁致伸缩材料在改变外磁场时长度及体积均会发生 变化 它具有电磁能和机械能相互转换的功能 是声呐换能器的重要材料 在大桥桥梁减震 油井探测 海洋探测与开发 高精度数字机床 微位移传感器 高保真音响等方面有着广泛的用途 1 近角聪信 铁磁性物理 兰州兰州大学出版社 xx283 295 2 王博文 超磁致伸缩材料制备与器件设计 北京冶金工业出 版社 xx1 31 3 Guruswamy S Srisukhumbowornchai N Clark AE et al Strong ductile and low field magostrictive alloysbased onFe Ga Scripta Mater 2000 43 239 244 4 Zhu HQ Liu JG Wang XR et al Applications ofTerfenol D inChina J AlloyCompd 1997 258 49 52 5 韩志勇 Fe Ga合金的磁致伸缩研究 学位论文 北京 北京科技大学 xx 6 Goran Engdahl Electrically controlspring element Euro Patent 0 283 880 1988 3 24 7 Buchwald Glenn Warren Measurement andcontrol ofmagostric