磁致伸缩材料的发展及其在器件方面的应用

磁致伸缩材料的发展及其在器件方面的应用

1铁氧体的磁致撕裂特性1840年，焦尔发现，当磁性体硬化时，其外径比变大，这就是通常被称为磁张力效应的焦尔效应。到了20世纪40年代人们才开始使用Ni,Co晶体,它们的磁致伸缩系数只有40×10-6。50年代又开始采用Fe-13%Al合金,如俄罗斯研制的Fe-13%Al声发射器。60年代铁氧体材料等陆续被采用,它们的磁致伸缩最高可达110×10-6,并且它们的电-声转换效率是Ni等金属的2倍～5倍。由于这些铁氧体的高电阻、大磁致伸缩等优势,而被应用于如下两个方面:一是探测鲨鱼的超声焊接和超声净化等装置;另一个就是磁致伸缩滤波装置和延迟线。这些材料的相继问世,虽然在当时取得了一定的成果,但由于它们有限的伸缩量以及较低的居里温度,应用仍受到一定的限制。到了70年代,A.E.Clark发现稀土-铁系化合物具有巨大的室温磁致伸缩效应,并且以其高的机电转换效率,大的发生应力,高的能量密度和快速的机械响应等优点,立即受到世界高技术领域专家们的极度关注。从此磁致伸缩材料出现了迅猛的发展,尤其是80年代美国、日本、瑞士等国家争先对其性能、成分(掺杂)、相结构和磁结构做了充分研究,并在此基础上开发了大量的实用器件。2磁体材料的特性和应用基础(1)强制效果磁性体被外加磁场磁化时,其长度发生变化,可用来制作磁致伸缩制动器。(2)danni效果在一定磁场中,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)de效果随磁场变化,杨氏模量也发生变化,可用于声延迟线。(4)效应在磁性体上形成适当的磁路,当有电流通过时,磁性体发生扭曲变形,可用于扭转马达。(5)抗感染效果使磁性体发生机械扭曲,且在二次线圈中产生电流可用于扭转传感器。(6)r:s系超磁致伸缩材料,外加预应力时,磁致伸缩随外场而有跃变式增加,磁化率也改变,利用以上现象即可做成各种器件。3磁扩大材料的应用3.1声音领域3.1.1采用低响应频率的压磁材料目前,电磁波常被用于通讯和探测等方面。但在水下,它却因衰减过快而无法利用,于是人们利用声波及超声波讯号来进行水下通讯、探测、遥控等工作,声纳就成为潜艇的口、眼。这对材料的要求极高。早先采用的都是压电材料,但它们有以下缺点:(1)机电转换系数低(0.45～0.68),输出功率低;(2)响应频率高,信号在水下衰减快、传输距离小;(3)在数千伏的高压下工作,安全性差。自从大应变和低响应频率的REFe2压磁材料出现以来,这些问题得到了根本解决,使声纳性能得到了大大改善,海底探测距离已达到数千公里。美国海军的潜艇声纳装置如图1示和法国开发出的声纳换能器便利用了此种材料。日本NKK冲绳电子公司与科学技术中心共同开发了一种用于海洋音响层折X射线低周波音源照相仪,该音源用的超磁致伸缩材料处于7.84MPa预载荷和500Oe偏场中,形变率可达0.16%。由冶金部钢铁研究总院和中科院声学研究所合作研制成功的声纳装置,其共振频率为2.4kHz,发射电流灵敏度Si=173dB,频宽800Hz,电声效率ηea=45%。3.1.2超声邻近传感器和材料在海洋业中,磁致伸缩材料可被开发用于海洋捕捞,海底测绘。地质上,可用于矿藏勘探、油井测探。在汽车工业中,可被用于超声邻近传感器和超声焊接。在材料领域,它被用于超声波无损探伤(如图2所示)。在医学上,它可用做超声全息摄像,超声体外排石和心音搏脉传感器。在电器方面,日本用超磁致伸缩材料研制出小型扬声器。此外,它还可被用于激光、CD唱机的聚焦控制。3.1.3声速、声速变化REFe2等化合物的弹性模量E随磁场的改变变化极大,TbFe2,SmFe2和Tb0.3Dy0.7Fe2多晶的ΔE/E分别可达240%,214%和148%,而Ni,Fe仅分别为6%～18%和0.4%。由于E的变化声速v也随磁场发生显著改变,在4.3kOe磁场中,Terfenol-D中声速变化(Δv/v)达57%～60%,最高则可达85%,而Ni中变化仅为6%～9%。利用这种效应,美国人ArthurE.Clark研制成可变延迟线。另外利用磁致伸缩效应所产生的表面弹性波,还可做出智能滤波器。3.2微位移领域3.2.1新型磁致伸剂在排气矿井中的应用利用RE的低场大应变、大输出应力、高响应速度(100μs～1ms)且无反冲的特征,可以制成结构简单的微位移致动器,广泛用于超精密定位、激光微加工、精密流量控制、原子力显微镜、数控车床、机器人和阀门控制等方面。其中瑞典设计出对燃料喷射阀门进行控制的装置(如图3)。日本设计了Terfenol-D对排气矿井的控制,名古屋大学和东京理科大学研制的用于管道等内部检测用的超磁致伸缩机械手。美国Arthur.E.Clark等利用磁致伸缩棒和磁致伸缩双层膜设计了可精密控制流量的多种流量计,被广泛用于控制泄漏和过程控制系统中的液体混合等场合。最近美国的NorthrupGramman公司又出资47万美元与生产大磁致伸缩材料Tb-Dy-Fe合金的公司Extremal合作开发稀土磁致伸缩材料,用以设计和制造飞机机翼精密调节器。调节器推动机翼内部的一种机构使它在飞行中能改变机翼形状,从而在飞行时发挥更高的功效,它既轻便又可靠,解决了飞机速度的最大调节力的问题。武汉工业大学李强科研小组成功开发了利用Tb0.23Dy0.73Fe1.95大单晶制成的微米级微位移致动器,它的最大致动范围为40μm,精度可达10nm。同时为其配上步进驱动夹具为减少发热量而设计的数字脉冲驱动模式和闭环控制电路(如图4示)。改进的微位移致动器将在原子刻蚀等诸多纳米级领域发挥重要作用。3.2.2应变计的特点美国海军表面武器研究中心应用Metglas2605SC开发了磁致伸缩应变计,它与传统的半导体应变计相比具有更大的动态范围,更高的灵敏度和精度,并且它的温度依赖性小,可测的频带更宽广,可测应变量最小达到3×10-10。此外,Terfenol-D棒或其薄膜材料还可用于热膨胀检测。3.3磁致撕裂材料在微动力电池中的应用REFe2高能量密度的特性可用于制作高能微型马达和其它机械功率源。其中日本的TomohikoAkuta设计了差动线性马达。推进器材料使用的是Terfenol-D,而夹具则有2种:一种为PZT的慢速步进驱动夹具;一种为Terfenol-D的快速驱动夹具,它的步进频率可望大于300Hz。美国人M.Vranish等设计了扭转可逆马达,当采用4根直径为0.635cm的Terfenol-D棒时,夹具输出的转扭矩可达54.24N·m,满载频率达3252.2Hz。日本TDK公司制作了用于化学注射用的磁致伸缩泵(如图5),可以通过改变电流大小或频率大小来精确实现几至100cm3/min的流量控制,它的最大输出压力为0.88MPa。与此同时,日本Sumitomo金属公司和Keiki公司也用TbDyFe多晶棒制成磁致伸缩隔膜泵,它不但可实现精密控制,高压输出,而且还提供了多种供给模式。美国海军研究实验室研制了磁致伸缩示波器,当外场以H=Hdc+hpcos(ωt)+hΩcos(Ωt)激励时,它可产生ω,Ω,ω+Ω3种响应的图像模式。日本人EdmundKokomaczyk设计了直线执行器来替代传统的步进马达用在计算机等诸多外设上,如计算机打印头、磁盘寻道头和显示屏等等。瑞典ABB公司研制成用Terfenol-D执行器来取代北海油田和油压