磁致伸缩材料的特性及应用研究1

强
李银祥
武汉
张一玲
武汉理工大学 ! 摘 要
% & ’ ’ ( ’ #
回顾总结了磁致伸缩材料的发展及其在器件方面的应用 )对以该材料为核心的各种器件性能作了阐述并与
压电材料进行比较1报道了武汉理工大学开展的超精密微位移致动器和磁场光纤传感等方面的 ! ) # * + , . / 0&! * , .# 研究 ) 并对该材料今后的应用进行了展望 1 关键词 超磁致伸缩材料 致动器 传感器 文章编号 25 ’ ’ 4 7 5 8 9 ! 4 ’ ’ ’ # ’ ; 7 ’ & ; ; 7 ’ % : 中图法分类号 2. ( 5 34 文献标识码 26
O 0 接作用在抽油机的活塞上 / 6
敏度和精度 1并且它的温度依赖性小 1可测的频带更
Q, # 可测应变量最小达到 & 此外 1 宽广 1 P, # 6 F ! + ? D + 5 C <
’ 棒或其薄膜材料还可用于热膨胀检测 R $ R 高能微动力装置
/ , ) 0
6
S T * + %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6 其 中 日 本 的 ! C 4C I 9 U C
图 ! 使用磁致伸缩材料的声纳装置 ! D A B C E F 1 GH I H J 4 KL H B F CK1 C F 4 J E H J G B M J B N 4G E >
aG J U L G b S _ 1 G 7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
, $ 声效率 @ <# % 5" & 4 1
c d 微位移领域 = 6 ! 微位移致动 利用 X Y 的低场大应变 O大输出应力 O高响应速 度Q 且无反冲的特征 +可以制成结构简 ! 2 2e ]!KH R H
! , $ 单的微位移致动器 +广泛用于超精密定位 " O激光微 ! . + ! P $ 6 2 $ 6 ! $ 加工 " O精密流量控制 " O原子力显微镜 " O数控 ! P $ 6 6 $ 6 = $ 车床 " 和阀门控制 " 等方面 & O 机器人 "
其外型尺 5 8 % ’年焦尔就发现当磁性体被磁化时 ) 寸 会 发 生 变 化)这 就 是 人 们 通 常 所 说 的 磁 致 伸 缩 效 应 )又称焦尔效应 1到了 4 ’世纪 % ’年代人们才开始 使用 =/ )> ’ @ ?晶 体 ) 它 们 的 磁 致 伸 缩 系 数 只 有 %
A; 合金 )如俄罗斯 19 ’年代又开始采用 B 7 5 & D6E 5 ’ C F 5 G 研制的 B 声发射器 1 7 5 & D6E ; ’年代铁氧体材料等 C
图 = 磁致伸缩阀门燃料喷射系统 = S A B C E KZ L F 1 J B E Fi 4 J J B F CH I H J 4 K jB J UK1 C F 4 J E H J G B M J B N 4 N 1 _ N 4
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稀有金属材料与工程
% -卷
武汉工业大学李强科研小组成功开发了利用 ! " ( + # $ % &’ # $ ) &* , $ .大 单 晶 制 成 的 微 米 级 微 位 移 致 动 % ) 0 器/ 它的最大致动范围为 2 精度可达 , 1 #3 #5 41 46 同时为其配上步进驱动夹具为减少发热量而设计的
4 G 线F 1这些材料的相继问世 )虽然在当时取得了一定
X 磁致伸缩材料的应用
X K < 声学领域 & K 5 K 5 军用声纳系统 目前 )电磁波常被用于通讯和探测等方面 1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 I 探测 I 遥控等工作 ) 声纳就成为潜艇的口 I眼 1这对材料的要求极高 1早 先采用的都是压电材料 ) 但它们有以下缺点 2 机电 ! 5 # 转换系数低 ! 输出功率低 J 响应频率 ’ K % 9 H’ K ; 8 # ) ! 4 # 高 )信号在水下衰减快 I传输距离小 J! 在数千伏的 & # 高压下工作 ) 安全性差 1 自 从大 应 变 和 低 响 应 频 率 的 Y Z B C 4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 1美国海
陆续被采用 ) 它们的磁致伸缩最高可达 5 并 5 ’ @5 ’ ) 且 它 们 的 电7 声 转 换 效 率 是 =/ 等 金 属 的 4倍 H 9倍 1
A;
由于这些铁氧体的高电阻 I大磁致伸缩等优势 )而被 应用于如下两个方面 2一是探测鲨鱼的超声焊接和超 声净化等装置 J另一个就是磁致伸缩滤波装置和延迟
图 6 超声波无损检测示意图 6 D A B C M U 4 K1 J B M> B 1 C G 1 KE V ’T W
= ! = 声延迟线 X Y A 4 6 等 化 合 物 的 弹 性 模 量 Y随 磁 场 的 改 变 变 万方数据 化极大 +W +D \ Z A 4 KA 4 Z T I A 4 Y 6 6和 W 2 = 2 , 6 多晶的 [
仅分别 + # 2 5+6 ! # 5和 ! # . 5+而 ’B A 4 Y 分别可达 6 为* 5]! . 5和 2 # 5& 由于 Y 的变化声速 ^也随磁 磁场中 +W 场发生显著改变 +在 # =7 ‘ 34 4 G V 4 F E _ T中 声速变化 Q 达% 最高则可达 . 而 \ R , 5]* 2 5+ % 5+ [ ^ ^ 中变化仅为 * 5] P 5& 利 用 这 种 效 应 + 美 国 人 ’B
% 0 设计了差动线性马达 / 推进器材料使用的是 6 VU @ > B F 1而夹具则有 %种 W一种为 X ! + ? D + 5 C < ’ Y ! 的慢速步 进驱动夹具 Z一种为 ! F + ? D + 5 C < ’ 的快速驱动夹具 1它
的步进频率可望大于 & # #[\ 6 / & # 0 美 国 人 K$ ]? B 5 9 E I等 设 计 了 扭 转 可 逆 马 达 1 当采用 2根直径为 # $ L & .= F 4的 ! + ? D + 5 C < ’ 棒时 1夹 满 具输 出 的 转 扭 矩 可 达 . 2 $ % 2 ^_ 41 载 频 率 达 &% . % $ % 6 [\ 日本 ! ’ ‘ 公司制作了用于化学注射用的磁致伸
6 = $ 控制泄漏和过程控制系统中的液体混合等场合 " 最 &
= ! 6 民用声纳领域 在海洋业中 +磁致伸缩材料可被开发用于海洋捕
6 $ 捞 + 海底测绘 " & 地质上 + 可用于矿藏勘探 O 油井测 . $ 探" &在汽车工业中 +可被用于超声邻近传感器和超 P $ 声焊接 " 在材料领域 + 它被用于超声波无损探伤 Q 如 & ! 2 $ 在医学上 + 它可用做超声全息摄像 " 超 图 6所示 R & + " ! ! $ 声体外排石和心音搏脉传感器 &在电器方面 +日本 ! 6 $ 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 OS & T 唱机的聚焦控制
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 1 到了 ( ’年代 ) K 6K L > E M N 发 现 稀 土7 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 1从此磁致伸缩材料出 现 了迅猛的发展 )尤其是 8 ’年代美国 I日本 I瑞士等 国家争先对其性能 I成分 ! 掺杂 # I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 1
O 磁致伸缩材料的特性及应用基础
F & G
效应 2磁性体被外加磁场磁化时 )其长 ! 5 #P ? Q E C 度发生变化 ) 可用来制作磁致伸缩制动器 1
万方数据 收到初稿时期 2 4 ’ ’ ’ 7 ’ 9 7 5 9 J 收到修改稿日期 2 4 ’ ’ ’ 7 ’ ( 7 5 ’ 作者简介 2 胡明哲 ) 男 )5 [ ( 9年生 ) 硕士研究生 ) 武汉理工大学新材料研究所 ) 武汉 % & ’ ’ ( ’ ) 电话 2’ 4 ( 7 8 ( ; 9 5 8 & ( 7 5 ’ ;
< 前
言
效应 2在一定磁场中 )给磁性体施加 ! 4 #R/ E E M / 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 1 随磁场变化 ) 杨氏模量也发生变化 ) ! & # S L效应 2 可用于声延迟线 1 ! % #R/ C S C TM U U效应 2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 1 使磁性体发生机械扭 ! 9 # 7 6U V / R/ C S C TM U U效应 2 曲 ) 且在二次线圈中产生电流可用于扭转传感器 1 ! ; # P Q TW效应 2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 1