超磁致伸缩执行器
.1 超磁致伸缩材料的介绍
1.1 微机械的发展现状
随着科学技术研究向微小领域的深入，诞生了微W纳米科学与技术（Micro/Nano Science and Technology），以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造自然的一种高新技术。
微机械是基于广泛的现代科学技术，并作为整个微/纳米科学技术的重要组成部分的一项崭新研究课题。
其必须具备的基本要求是：
⑴体积小，精度高，重量轻；
⑵性能稳定，可靠性高；
⑶能耗低，灵敏度和工作效率高；
⑷多功能和智能化；
⑸适于大批量生产，制造成本低廉。
微机械发展很快，近几年，已成功开发出微驱动器、微传感器、微控制器等，并由这些不同的微机械器件集成许多具有精巧功能的集成机构IM（Integrated Mechansim）。
相对完备的微电子机械系统MEMS逐渐形成，整个系统的尺寸可以缩小到几毫米甚至几百微米。
如美国贝尔实验室开发出直径为400μm的齿轮，加州大学伯克利分校试制出直径为60μm的静电电机，直径为50μm的旋转关节，以及齿轮驱动的滑块和灵敏弹簧，美国斯坦福大学研制出直径20μm，长度150μm 的铰链连杆机构，210μm×100μm的滑块机构，转子直径200μm的静电电机和流量为20ml/min的液体泵，日本东京大学工业研究院研制成1cm3大小的爬坡微型机械装置。
我国许多高校和研究所也取得不少进展。
如上海冶金研究所研制出直径为400μm的多晶硅齿轮、气动涡轮和微静电电机等。
这些微型机械不少已有具体的应用。
MEMS的研究和开发正得到世界各发达国家的广泛重视，尤其是集微机械、微电子等综合技术为一体的微机器人，由于其在工业、生物医学、军事和科研等领域的广泛应用前景而倍受青睐，随着智能
材料与结构研究日益深入，将智能材料用于微机械、微机器人实现其结构的微型化、智能化以及功能的集成化，已经成为微机器及微机器人研究的一个主要发展趋势。
.1.2 微机械用智能材料结构
⑴智能材料结构特点
将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的智能功能，如具有识别、分析、处理及控制等多种功能，并能进行数据的传输和多种参数的检测，而且还能够动作，具有改变结构的应力分布、强度、刚度、形状等多种功能，从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习等能力，这种结构称为智能材料结构。
可见，智能材料结构和制造是不可分割的，它不同于传统的结构材料和功能材料，其模糊了结构与功能的明显界限，趋向于结构功能化和功能多样化。
应用智能材料结构，有利于使传感器、执行器和电子控制电路等融为一体，以满足微机械体积小、精度高、重量轻及实现微机械的多功能化和智能化的集成。
目前智能材料结构引起了人们的广泛关注，为微机械的研究开辟了新途径。
⑵微机械用智能材料结构常用作微机械材料的智能材料有硅材料、形状记忆合金、电致伸缩材料、电（磁）流变材料、导电聚合物、储氢材料等。
本文的超磁致伸缩执行器就是利用超磁致伸缩材料的特性所设计。
1.3 超磁致伸缩材料
稀土超磁致伸缩材料(giant magnentostrictive material,简写为GMM)为稀土元素铽Tb(Terbium)、镝Dy(Dysprosium)和铁(Fe)的合金化合物，是指在室温和低磁场下能产生很大的磁致伸缩应变的三元稀土铁系化合物，其典型材料为
Terfenol-D，代表成份为Tb
0.27Dy
0.73
Fe
1.95。
铁磁和亚铁磁材料在磁场中磁化状态改变时，会引起尺寸或体积的微小变化，这种现象称为磁致伸缩，也称焦耳效应。
接着维拉里(E．Viiiari)发现了磁致伸缩逆效应，铁磁体在发生变形或受到应力作用时会引起材料磁场发生变化的现象。
一般铁磁体的磁致伸缩变形相当小，约为10-6量级，与热膨胀系数差不多，因此虽然早在19世纪人类就发现了磁致伸缩现象，但并未引起广泛的应用。
在20世纪60年代，人们发现稀土金属铽(Tb)和镝(Dy)在低温下(低于-200℃)
具有较普通磁致伸缩材料大数千倍的磁致伸缩应变，但该性能只能在极低温度下获得，无法得到很好的应用此后人们开始探索在常温也具有大磁致伸缩应变的稀土合金材料，在1973年，A．E．Clark等人开发出常温下具有大磁致伸缩且各向异性最低的三元稀土合金TbDyFe，这就是GMM的基础。
自70年代中期以来，GMM 研究的重点在材料的制备工艺以及各材料成分对其性能的影响，以尽早实现商品化生产。
至90年代前后，一些国家实现了商品化的GMM生产，如荚国公司的Tcrfcn01．D，瑞典FcrcdynAB公司的Magmek86，随后日本、俄罗斯、英国和澳大利亚等也相继研究开发出TbDyFe2型GMM。
我国于90年代前后开始研究TbDyFe晶体磁致伸缩材料，目前已有多家单位生产GMM，如包头稀土研究院、北京有色金属研究院、中科院物理所等，一些民营企业也开始从事GMM的生产，如甘肃天星稀土功能材料有限公司、浙江椒光稀土材料有限公司等。
⑴稀土材料的优点：
稀土超磁致伸缩材料具有许多非稀土材料所不具备的基本物理特性。
与传统超磁致伸缩材料相比，稀土材料有以下优点:
①磁致伸缩系数高。
在一定的磁场作用下，稀土超磁致伸缩材料的长度发生变化。
在室温下其磁致伸缩系数比传统材料高数百倍。
目前制备的稀土超磁致伸缩材料的最佳值可达2500x10-6，巨大的磁致伸缩系数使其在实际中应用成为可能。
这也是稀土超磁致伸缩材料得到迅速发展的主要原因。
②磁机耦合系数(K)高。
比压电陶瓷(PZT)高6～30倍，这使其称为实现电-磁-机械能量转换的优异的功能材料。
③输出应力大。
在外加预应力时，在低磁场下材料的磁致伸缩随磁场产生“跳跃”式增加，其磁化率也随之变化，这一效应对于实际应用具有重要意义。
因为产生巨大磁致伸缩应变所需的磁场很容易达到，可以使器件的结构简单紧凑，输出功率比PZT材料高数十倍。
可用来制作大功率超声激振源，用于工程地质勘探和超声加工及声纳系统。
④机械响应速度快，达10一6s级，且可电控。
可用于直线马达的快速行进，利用这一特性，既可以用作机械功率源如声发射源，也可以用作力传感器如声接收器。
⑤磁致伸缩变形的线性范围大。
这有利于磁致伸缩量的准确控制，可用于精密磨床给进和阀门控制,精度可达纳米级。
⑥频率特性好、频带宽，可以在低频几十赫兹下工作，从而可应用于制作水声换能器。
也可用于高频环境，如超声加工，超声诊断等。
⑦居里温度高，可适用于高温环境。
⑧具有Villari效应，即逆磁致伸缩现象。
在一定的磁场中，稀土超磁致伸缩材料受力后其磁化强度发生变化，利用这种现象可以制作压力传感器。
稀土超磁致伸缩材料也存在若干缺点，如由于其电阻率低，会产生涡流损耗导致高频特性差；抗拉强度低，不能承受较大的拉力;材质硬但较脆易碎，机械加工困难;制造卜艺复杂，成本较高。
这些缺点在一定程度上制约了该材料的推广应用。
针对这些问题目前己提出了一些解决方法并付诸实施，如为了控制线圈发热导致磁致伸缩棒膨胀而影响纳米、埃米级超精密定位精度，研制了用在棒与螺线管之间的恒温水冷却管，使强制水冷却控温精度达士0.01℃，系统位移效率高于90%.对于涡流效应，可采用多层绝缘薄片粘结成棒形，减小涡损，料器件的性能优势：
①能量转换能力(位移、力、功率、效率)
稀土超磁致伸缩材料的应变和功率高于其他材料。
静场应变饱和值达到1500x10一6～2000xl0一6，在线性范围内也达l000x10一6，此值为Ni的30倍、压电陶瓷的3～5倍，在共振频率下，动态应变比静态应变还要高数倍，稀土超磁致伸缩材料承受能力大于、等于20MPa，而压电陶瓷的上限仅4MPa，与此相应，这样材料的能量密度达14kJ/m3～25kJ/m3，是压电陶瓷的10～25倍，此外，这种材料的K=0.7～0.8，明显高于压电陶瓷和其他材料，且由于换能器磨机电耦合系数
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损小，所以这种超磁致伸缩材料换能器的能量转换效率也高于传统换能器。
②控性(高速响应和精确定位)
稀土超磁致伸缩材料响应速度极高，性能重复性好，换能器结构简单，消除了常规系统中摩擦、空程、粘附引起的偏差和滞后，所以这种材料的换能器定位精度一般为0.lum，最佳可达纳米级，响应仅取决于驱动线圈的励磁时间，一般小于lms，最快可以达10μm。
③可靠性(性能稳定，不易发生故障)
压电陶瓷在制造时就加有恒定偏磁场，时效使偏磁场产生一个特久的退化，称为退极化。
即压电陶瓷的预极化在室温自然退极化，温度升高加速其退极化，而且居里温度(Tc)较低；稀土超磁致伸缩材料不发生疲劳退化，偏磁场不随时间和温度改变，Tc较高，工作温度较宽，压电陶瓷对工作频率要求较严，而频率波动对磁致伸缩性能的影响小。
一些压电换能器的工作电压很高(数千伏)，易出现电击穿问题，而稀土超磁致伸缩材料换能器在较低电压(12v～1O0v)下工作，换能器可动件少，磨损小，这也使可靠性提高。
④运转能力(最高速度、最大行程)
普通小型驱动器的速度较低和行程较小，但Terfenol-D线性马达可获得lm/s 的极限速度和无限的行程。
⑤有利于简化换能器结构的其他优点
频率响应范围宽/有智能响应/功率供应简单。
