超磁致伸缩材料的研究与应用

超磁致伸缩材料的研究与应用

作为一种新型有效的磁体转移材料，阵列马可卡因材料（pmm）是20世纪70年代初发现的三维稀土铁化合物，用于加热和低磁层下的磁速扩展系数。典型材料为txey1-xfer2-y。式中x为Tb/Dy之比,y为R/Fe之比,x一般为0.27～0.35,y为0.1～0.05。这种三元稀土合金材料已实现商品化生产,典型商品牌号为Terfenol-D(美国的EdgeTechnologies公司)或Magmek86(瑞典的FeredynAB公司),代表成分为Tb0.27Dy0.73Fe1.93。继美国之后,瑞典、日本、英国等也进行了这方面的研究。目前,国际上处于领先地位的有美国的EdgeTechnologies公司、瑞典的FeredynAB公司、日本的住友轻金属公司、英国的REP公司等。我国作为稀土大国,开展这方面的研究较晚,但进展较为迅速。北京科技大学、北京有色金属研究总院、包头稀土研究所、中国科学院物理研究所、中国科学院上海冶金研究所和辽宁新城稀土压磁材料有限公司等单位都在从事该材料的研究,其主要性能指标都接近或已达到国际同类产品的水平。与压电材料(PZT)及传统的磁致伸缩材料Ni、Co等相比,超磁致伸缩材料具有独特的性能:在室温下的应变值很大(1.5×10-3～2.0×10-3),是镍的40～50倍,是压电陶瓷的5～8倍;能量密度高(14000～25000J/m3),是镍的400～500倍,是压电陶瓷的10～14倍;机电耦合系数大;响应速度快(达到μs级);输出力大,可达220～880N。数据见表1。由于超磁致伸缩材料的上述优良性能,因而在许多领域,尤其是在机电工程中的应用前景良好。1超磁膨胀执行器的应用研究1.1terfenol-d换能器以往的海军声纳大多采用压电陶瓷PZT作为换能器材料,需要几千伏的驱动高压,尺寸大、频带窄,且不能在低频下使用。而深海长距离目标探测中需要低频技术,在低频领域,超磁致伸缩材料的各项指标(大的磁致伸缩量,低的杨式弹性模量,比一般金属软)均比传统的有源材料做成的换能器好,因此,它最早由美国海军部门应用于低频声纳系统中。国际上最先使用的Terfenol-D换能器是一种内方外圆形水下器件,叫方环换能器(见图1)。驱动部分由4根ue001φ6.35mm×50mm的Terfenol-D棒组成,其共振频率可达2kHz。这种类型的设计用于美国Gould公司和Rayfhlon公司的最早的商品水听器中。日本学者Wakiwaka采用超磁致伸缩材料设计了声纳换能器。他采用8根ue001φ20mm×120mm的Terfenol-D棒作为振动源,并由上、下各一块永久磁铁提供一定的偏置磁场,以使超磁致伸缩棒工作在线性区;调整预紧弹簧的变形量,可以对超磁致伸缩材料施加适当的预压力。理论上,此换能器机电耦合系数可达73%,声源信号可达192dB。冶金部钢铁研究总院采用国产超磁致伸缩合金,研制出大功率低频声纳。七一五研究所进行了多边形水声换能器的研究。1.2超磁致伸缩材在微制造中的应用随着尖端科技的飞速发展,超精密加工技术成为当今机械制造最重要的发展方向之一。目前,超精加工刀具主要采用电致伸缩微位移器做为驱动器,而电致伸缩微位移器的位移量和输出功率相对较小,而且在机构设计中必须采取有效措施,以防止冲击力和高电压驱动造成的短路问题,采用超磁致伸缩材料作为微位移器则可很好的解决上述问题。图2是日本江田.弘和Toshiba公司的Kobayashi设计的,装备在大型光学金刚石车床上的微进给装置,此装置采用了超磁致伸缩材料做为驱动器。系统中采用温度控制器,使冷却线圈的水温度控制在0.01℃以内。采用此执行器的金刚石车床加工玻璃等硬脆材料的尺寸精度和表面粗糙度可控制在几个纳米以内。浙江大学利用超磁致伸缩材料的特性,开发研制了活塞异型销孔的制造系统,成功解决了企业异型销孔的制造的实际问题。此系统的关键是将超磁致伸缩材料固定在镗刀杆的合适位置,当周围的磁场改变时,超磁致伸缩材料能相应的伸长或缩短,从而使刀杆产生相应的弯曲变形。而磁场的变化可通过改变驱动线圈的电流来实现。1.3燃料喷射阀电-机械转换器是流体控制阀类部件的关键部分,由于超磁致伸缩材料具有响应速度快、输出力大、并可在低磁场强度下工作等特性,采用超磁致伸缩材料的转换器将极大的提高控制阀的性能。瑞典一家公司将Terfenol-D用于燃料喷射阀,并申请了专利。图3是通过控制驱动线圈的电流,来驱动具有负磁致伸缩的棒,使得针阀提起或放下。这个简单的设计,可使燃料在喷射过程中实现快速、高准确度的燃料流动无级控制,而且也为更快、更精确的计算机控制燃料系统甚至排气系统提供了可能。超磁致伸缩材料还被应用于直接作用的比例阀和伺服阀。Goodfriend等采用超磁致伸缩执行器改造了比例滑阀,在300Hz时阀芯位移达0.3mm;Urai等采用超磁致伸缩执行器设计出了直动式伺服阀,其最大输出流量达2L/min,频带宽650Hz。此外,这种材料应用于高速阀、高压泵、微型泵的研究也在进行中。1.4步进马达原理超磁致伸缩线性执行器可以提供20～200μm的静态位移,因此被应用于提供大扭矩的高分辨率的步进马达中。德国柏林大学Kiesewetter利用超磁致伸缩材料研制成功一种新型步进马达,命名为Kiesewetter,它的工作原理见图4。这种马达的定子采用非磁性材料制成管状,并与圆柱型的Terfenol-D棒具有相同的直径。当线圈通入电流并且位置发生变化时(见图4b～图4e),超磁致伸缩棒料交替伸缩,象虫子一样蠕动前进,它的最大驱动力可达到1000N,分辨率为2μm,并具有驱动重载无反冲的优点。美国的Vranish采用超磁致伸缩材料,也利用上述的原理,开发出转动式的步进马达。它的扭矩输出达12.2N·m,精度高达800μrad。1.5振动主动控制在科技飞速发展的今天,高精度光学平台的精确控制,宇航器、卫星及发射装置的主动消振等一系列振动控制问题显得十分突出,而作动器是振动主动控制系统中的一个重要环节,直接影响振动主动控制的可实施性。由Terfenol-D制成的主动控制执行机构有着其它类型作动器无法比拟的优点:最大消振力达数千牛,最大可达70%的振动衰减量,频率范围为0～5kHz,低频特性好。这种材料作动器的开发和应用为振动控制工程领域开辟了广阔美好的前景。日本的Ohmata采用Terfenol-D设计了3连杆的臂型半主动振动控制装置,可减缓由于地震、强风等产生的振动。这个装置象人的手臂,可在3个直线或转动方向产生可控的摩擦力和摩擦力矩;美国的Anjanappa等将超磁致伸缩微执行器应用于振动的主动控制中,并对其工作原理进行了理论分析与实验研究,并首次给出了考虑热效应的超磁致伸缩执行器的基本数学模型。南京航空航天大学和海军工程大学也将超磁致伸缩作动器作为振动主动控制的执行器,并取得了很好的振动控制效果。此外,超磁致伸缩执行器还被应用于扫描电子显微镜、望远镜、照相机自动聚焦、医用超声波发生器和微型机器人等机电一体化产品中。2稀土超磁致伸超磁致伸缩材料作为一种新型的高新技术材料将引起执行器技术的革新,在航空、航天、国防和工业领域有着广泛的应用,并且正朝着微型化、集成化的方向发展。然而,与国际相比,