智能金属材料

1、 1主要内容 形状记忆合金 形状记忆聚合物 金属材料自预警、自修复 超磁致伸缩材料 2引言 许多应用领域从安全性和可靠性角度出发期望材料在受到损伤时具有自检知、自判断和自行动功能。 自行动功能分为自预警、自适应和自执行三种类型。 自预警功能即信号功能自预警功能即信号功能，当材料有损伤或外界刺激因素的强度超出某阈值时，材料会发出诸如变色、发热、声波、电磁异常等信号。 自适应功能，指材料可通过自身内部结构的调整来适应刺激因素的变化。 自执行功能，指材料受刺激因素作用后可完成的一定的机械动作等。 32.2 金属材料自预警、自修复2.2.1 金属材料损伤机制与自预警和自修复功能缺陷尺寸越大，越易受损伤

2、缺陷尺寸越大，越易受损伤缺陷小于一定的极限缺陷小于一定的极限尺寸尺寸疲劳强度不再受其影响疲劳强度不再受其影响微孔或缺陷微孔或缺陷疲劳裂缝和蠕变变形疲劳裂缝和蠕变变形 4微孔中预埋入可产生微孔中预埋入可产生声波的物质声波的物质分散或复合裂缝扩展时分散或复合裂缝扩展时能能发生相变的物质发生相变的物质、促进氧化过程的物质促进氧化过程的物质或或一些功能一些功能性物质性物质 52.2.2 自修复类型(1)微量元素型微量元素型含微量含微量N和和B的不锈钢的不锈钢SUS304部微孔或缺陷部微孔或缺陷表面形成表面形成BN膜膜抑制和补强修复抑制和补强修复蠕变损伤蠕变损伤表面表面BN膜膜自修复自修复 6表面伤口、

3、裂纹自修补表面伤口、裂纹自修补 7(2)微球型微球型钼钢中分散二氧化锆微粒钼钢中分散二氧化锆微粒Fe-Cr合金中分散合金中分散Y2O3微球微球Y2O3捕集有害的硫捕集有害的硫形成形成Y2S3 8(3)丝线、薄膜型丝线、薄膜型 Al合金中排列合金中排列TiNi形状记忆合金长纤维形状记忆合金长纤维热处理使热处理使SMA纤维产生收缩变形纤维产生收缩变形聚合物中埋入聚合物中埋入TiNi形状记忆合金细线形状记忆合金细线电流流通使合金丝线温度升高电流流通使合金丝线温度升高 92.3 超磁致伸缩材料磁致伸缩现象磁致伸缩现象( (效应效应) )： 铁磁性物质在外磁场中被磁化时铁磁性物质在外磁场中被磁化时, ,

4、其长度、其长度、尺寸及体积大小均发生变化尺寸及体积大小均发生变化 ；去掉外磁场后；去掉外磁场后, ,其其又恢复原来长度与体积的现象。又恢复原来长度与体积的现象。 102.3.1 磁致伸缩效应及其表征磁致伸缩逆效应磁致伸缩逆效应材料在应力方向（或材料在应力方向（或垂直方向）上将产生磁化强度的变化。垂直方向）上将产生磁化强度的变化。磁致伸缩效应磁致伸缩效应 11磁体磁化时磁体磁化时沿磁化方沿磁化方向伸长或缩短，体积几乎不变向伸长或缩短，体积几乎不变一般一般磁致伸缩均磁致伸缩均指线磁致伸缩。指线磁致伸缩。饱和磁化以后饱和磁化以后体积发生体积发生膨胀或收缩膨胀或收缩 12磁致伸缩系数磁致伸缩系数 13

5、l与测量方向有关与测量方向有关磁场方向磁场方向纵向磁致伸缩系数纵向磁致伸缩系数（默认）（默认）l是磁场和温度的函数是磁场和温度的函数随磁场增大而增大随磁场增大而增大饱和饱和磁致伸缩系数磁致伸缩系数s（常数）（常数） 14ls的方向性的方向性单晶体：各向异性单晶体：各向异性多晶体：各向同性多晶体：各向同性ls可正、可负可正、可负随磁化强度随磁化强度M的增加的增加沿磁化方向伸长，正沿磁化方向伸长，正s沿磁化方向缩短，负沿磁化方向缩短，负s 15磁致伸缩率磁致伸缩率 16评价材料性能评价材料性能线性区微分磁致伸缩率。线性区微分磁致伸缩率。线性区线性区宽宽起始磁场强度：小起始磁场强度：小 17机电耦合

6、系数机电耦合系数( (磁弹性耦合系数或磁机械耦合系数磁弹性耦合系数或磁机械耦合系数) ) 182.3.2 稀土超磁致伸缩材料1)传统金属与合金传统金属与合金2)非晶态合金非晶态合金 193)稀土铁系金属间化合物稀土铁系金属间化合物Tb b0.30.3DyDy0.70.7FeFe2 2s极高：极高：1500200010-6稀土超磁致伸缩材料。稀土超磁致伸缩材料。(giant magnetostrictive material，GMM) 20稀土纯金属稀土纯金属s居里温度低居里温度低R1-xRxFe2RFe2 室温超室温超s ，但需强磁场，但需强磁场Tb1-xDyxFe2 (Tb0.3Dy0.7F

7、e2 ) 21Terfenol-D品牌品牌 22高机电转换效率高机电转换效率70，高磁致伸缩系数高磁致伸缩系数输出应力大，能量密度高输出应力大，能量密度高电压低电压低轻量化、小型化轻量化、小型化低成本低成本机械响应速度快机械响应速度快 23逆磁致伸缩效应逆磁致伸缩效应变形的线性范围大变形的线性范围大频率特性好、频带宽频率特性好、频带宽居里温度高居里温度高 242.3.3 稀土超磁致伸缩材料的智能化应用功率电声换能器、电机换能器、传感器和功率电声换能器、电机换能器、传感器和 电子器件电子器件 25大功率低频发射声纳大功率低频发射声纳理想材料：超磁致伸缩材料。理想材料：超磁致伸缩材料。 低频低频

8、大功率大功率 宽频带宽频带 26 27大功率超声换能器 28超声清洗超声清洗波动采油波动采油超声焊接超声焊接废旧轮胎脱硫废旧轮胎脱硫 29高保真平板扬声器 30 31 32棒状磁致伸缩驱动器棒状磁致伸缩驱动器薄膜型磁致伸缩驱动器薄膜型磁致伸缩驱动器直动型直动型弯曲型弯曲型 33精密定位装置微进给装置原理图微进给装置原理图超精密机床微进给机构超精密机床微进给机构 34微型马达磁致伸缩振子磁致伸缩振子( (马达马达定子定子) )将电磁能转换成机械能将电磁能转换成机械能, ,并通过定子并通过定子和转子间的接触摩擦力推动转子运动和转子间的接触摩擦力推动转子运动 35主动减振降噪系统 36燃料注入阀燃料

9、注入阀 37(3)(3)传感器和电子器件中的应用逆磁致伸缩效应逆磁致伸缩效应( (压磁特性压磁特性) ) 38磁致伸缩的应用实例磁致伸缩的应用实例：（1）磁致伸缩液位仪）磁致伸缩液位仪 ： 随着科学技术的迅猛发展，高新技随着科学技术的迅猛发展，高新技术在各行业中得到了广泛的应用，高术在各行业中得到了广泛的应用，高科技含量的磁致伸缩液位传感器，科技含量的磁致伸缩液位传感器，应用于各类储罐的液位测量。该种液位仪具有精度高、环境应用于各类储罐的液位测量。该种液位仪具有精度高、环境适应性强、安装方便等特点。因此，广泛应用于石油、化工适应性强、安装方便等特点。因此，广泛应用于石油、化工等液位测量领域，并

10、逐渐取代了其它传统的传感器，成为液等液位测量领域，并逐渐取代了其它传统的传感器，成为液位测量中的精品。位测量中的精品。 39 磁致伸缩液位仪由三部分组成：探测杆、电路单元和浮子组成。 测量时，电路单元产生电流脉冲，该脉冲沿着磁致伸缩线向下传输，并产生一个环形的磁场。 在探测杆外配有浮子，浮子沿探测杆随液位的变化而上下移动。 由于浮子内装有一组永磁铁，所以浮子同时 产生一个磁场。当电流磁场与浮子磁场相遇时，产生一个“扭曲”脉冲，或称“返回”脉冲。将“返回”脉冲与电流脉冲的时间差转换成脉冲信号，从而计算出浮子 的实际位置，测得液位。 工作原理 40采用磁致伸缩液位仪，进行油罐液位的测量，其优点表现

11、在： 1.可靠性强：由于磁致伸缩液位计采用波导原理，无机械可动部分，故无摩擦，无磨损。整个变换器封闭在不锈钢管内，和测量介质非接触，传感器工作可靠，寿命长。 2.精度高：由于磁致伸缩液位计用波导脉冲工作，工作中通过测量起始脉冲和终止脉冲的时间来确定被测位移量，因此测量精度高，分辨率优于0.01%FS，这是用其它传感器难以达到的精度。 3.安全性好：磁致伸缩液位计的防爆性能高，本安防爆，使用安全，特别适合对化工原料和易燃液体的测量。测量时无需开启罐盖，避免人工测量所存在的不安全性。 4.磁致伸缩液位仪计易于安装和维护简单：磁致伸缩液位仪一般通过罐顶已有管口进行安装，特别适用于地下储罐和已投运储罐

12、的安装，并可在安装过程中不影响正常生产。 5.便于系统自动化工作：磁致伸缩液位计的二次仪表采用标准输出信号，便于微机对信号进行处理，容易实现联网工作，提高整个测量系统的自动化程度。 41MTS磁致伸缩位移传感器：磁致伸缩位移传感器：高精度、多种规格、长行程、高精度、多种规格、长行程、非接触式测量非接触式测量 模块组装、坚固耐用模块组装、坚固耐用 敏感元件平均无故障时间敏感元件平均无故障时间（MTBF）长达）长达23年年 真正的绝对位置输出、无需重真正的绝对位置输出、无需重新标定或定期维修新标定或定期维修 ， 适用于高温、高压、高振荡及空间狭小环境适用于高温、高压、高振荡及空间狭小环境 安装方便、快捷，不需定期标定和维护安装方便、快捷，不需定期标定和维护冶金工业连铸、冷热轧、冶金工业连铸、冷热轧、AGC控制、模件成型控制、模件成型等等 ， 42磁致伸缩液位传感器磁致伸缩液