稀土超磁致伸缩震源的设计

作品申报书（范例）磁致伸缩系数并实时生成磁致伸缩曲线。

该仪器具有较高测量精度，不仅适用于科研工作中的磁性测量，还可以应用于高校理工类学生的物理实验教学。

3当前国内外同类课题研究水平概述精确测量磁致伸缩材料的磁致伸缩特性中的磁致伸缩系数是最基础也是最重要的工作。

磁致伸缩材料的磁致伸缩系数是衡量材料本身性质的一项重要指标，目前测量磁致伸缩系数的方法主要有迈克尔逊测量法、光杠杆和机械杠杆组合测量法等。

利用这些方法所制作的实验仪器比较多，应用于精确测量磁致伸缩材料的磁致伸缩特性的测定仪多为磁致伸缩系数测量仪和弱磁滞回线测量仪，其国内外应用研究情况如下:国外稀土磁致伸缩材料的应用现状磁致伸缩材料在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。

稀土超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景，例如用该材料可制造超大功率超声换能器。

过去的超声换能器主要是用压电陶瓷（PZT）材料来制造，它仅能制造小功率（＜）的超声波换能器，国外已用稀土超磁致伸缩材料来制造出超大功率（6〜25kw）的超声波换能器。

超大功率超声波技术可产生低功率超声技术所不能产生的新物理效应和新用途，如它可使废旧轮胎脱硫再生，可使农作物大幅度增产，可加速化工过程的化学反应。

此研究有重大的经济、社会和环保效益；用该材料制造的电声换能器，可用于波动采油，可提高油井的产油量达20%〜100 %，可促进石油工业的发展；用该材料制造的薄型（平板型）喇叭，振动力大，音质好，高保真，可使楼板、墙体、桌面、玻璃窗振动和发音，可作水下音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。

此外，用该材料可制造反噪声与噪声控制，反振动与振动控制系统。

将一个咖啡杯人力反噪声控制器安装在与引擎推进器相连接的部件内，使它与噪声传感器联接，可使运载工具的噪声降低到使旅客感到舒服的程度20dB以下）。

磁性液体磁致伸缩效应的理论分析与实验研究摘要固体的铁磁性材料在磁场作用下具有磁致伸缩效应。

梯度磁场可以改变具有磁化特性的磁性液体的视密度和内压强，进而改变磁性液体的体积，导致磁性液体发生磁致伸缩效应。

本文分析了磁性液体产生磁致伸缩效应的基本原理，推导了磁性液体磁致伸缩应变量的理论计算表达式；分析了单个载流圆线圈的磁场特性，在此基础上分析了多个同轴线圈产生的磁场，并计算了线圈的结构参数，完成了最终线圈结构的选取；设计了实验装置系统，包括线圈骨架尺寸，导线直径以及总匝数等；最后利用毛细管放大原理的测量装置测量了磁性液体的磁致伸缩微位移量，分析了实验结果，实验效果较好。

实验结果与理论进行比较，分析了实验误差产生的原因。

最终得出，磁性液体在变化的梯度磁场作用下具有磁致伸缩效应，其磁致伸缩的微位移量与输入的电流大小有较好的线性关系，扩大了磁性液体的应用研究范围，具有重要的理论与实际意义。

关键词：磁性液体，磁致伸缩，梯度磁场ITHEORETICAL ANALYSIS AND EXPERIMENTALSTUDY ON MAGNETOSTRICTIVE EFFECTOF MAGNETIC LIQUIDABSTRACTThe solid ferromagnetic material has magnetostrictive effect in the magnetic field. The volume of the magnetic fluid can be changed in the external gradient magnetic field because of its apparent density and the internal pressure intensity were changed. So, the magnetic liquid magnetostrictive effect is produced.In this paper, the magnetostrictive effect theory of magnetic fluid was analyzed. Theoretical calculation expression of magnetostrictive strain was derived. The magnetic field which was generated by the plurality of coaxial coils was analyzed on the basis of a single coil magnetic field. The parameters of the coil were calculated. Experiment installation was designed, including the size of the coil bobbins, diameter of wire, and the total number of turns. Micro displacement of magnetostrictive effect was measured by the capillary tube amplification principle. The experimental results compared with theoretical. Experiments prove that the effect is better. Finally it shows that the magnetostrictive effect of magnetic fluid will be produced in the variable gradient magnetic field. The amount of magnetostrictive micro-displacement and the input current has a good linear relationship. It has important significance to expanding the range of applied research of magnetic fluid.KEY WORDS: magnetic fluid, magnetostrictive, gradient magnetic fieldII目录第一章绪论 (1)§1-1 磁致伸缩材料概述 (1)1-1-1 磁致伸缩材料的发展历程 (1)1-1-2 磁致伸缩材料的应用 (2)§1-2 磁性液体的特性及应用 (3)§1-3 磁性液体磁致伸缩效应的研究现状及意义 (5)§1-4 论文主要研究内容 (5)第二章磁性液体磁致伸缩效应的理论分析 (7)§2-1 磁性液体的磁学特性与流体力学特性 (7)2-1-1 磁性液体的磁学特性 (7)2-1-2 磁性液体的流体力学特性 (8)§2-2 磁性液体磁致伸缩应变量计算式的推导 (10)§2-3 磁性液体磁致伸缩效应理论分析 (12)§2-4 本章小结 (13)第三章梯度磁场装置的设计 (14)§3-1 梯度磁场线圈设计基本原理 (14)3-1-1 单个载流圆线圈产生的磁场 (14)3-1-2 Maxwell线圈产生的磁场 (16)3-1-3 多个同轴线圈产生的磁场 (17)§3-2 线圈参数的计算以及最终结构的选取 (19)3-2-1 线圈参数的计算 (19)3-2-2 线圈结构的选取 (22)3-2-3 仿真结果与分析 (23)§3-3 实验系统设计 (27)3-3-1 线圈设计 (28)3-3-2 磁性液体的选取 (30)§3-4 本章小结 (31)第四章磁性液体磁致伸缩应变量的实验测量及结果分析 (32)§4-1 实验测量原理介绍 (32)§4-2 磁性液体磁致伸缩应变量的测量与结果分析 (33)4-2-1 实验装置搭建 (33)4-2-2 实验测试及结果分析 (34)4-2-3 引起实验误差的因素分析 (37)4-2-4 实验改进方案 (37)§4-3 本章小结 (38)III第五章全文总结 (39)参考文献 (40)致谢 (42)IV1第一章 绪 论§1-1 磁致伸缩材料概述铁磁体在外磁场中磁化时，其长度和体积均发生变化，这个现象称为磁致伸缩效应，它首先是焦耳（J.P.Joule ）在1842年发现的，故亦称焦耳效应 [1]。

稀土矿稀土就是化学元素周期表中镧系元素——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素——钪(Sc)和钇(Y)共17种元素，称为稀土元素(Rare Earth)。

简称稀土(RE或R)。

在新材料方面稀土钴及钕、铁、硼永磁材料，具有高剩磁、高矫顽力和高磁能积，被广泛用于电子及航天工业；纯稀土氧化物和三氧化二铁化合而成的石榴石型铁氧体单晶及多晶，可用于微波与电子工业；用高纯氧化钕制作的钇铝石榴石和钕玻璃，可作为固体激光材料；稀土六硼化物可用于制作电子发射的阴极材料；镧镍金属是70年代新发展起来的贮氢材料；铬酸镧是高温热电材料；近年来，世界各国采用钡钇铜氧元素改进的钡基氧化物制作的超导材料，可在液氮温区获得超导体，使超导材料的研制取得了突破性进展。

此外，稀土还广泛用于照明光源，投影电视荧光粉、增感屏荧光粉、三基色荧光粉、复印灯粉；在农业方面，向田间作物施用微量的硝酸稀土，可使其产量增加5~10%；在轻纺工业中，稀土氯化物还广泛用于鞣制毛皮、皮毛染色、毛线染色及地毯染色等方面。

永磁材料&Nbsp; （这里主要介绍钕铁硼）一、分类及性质永磁材料主要有铝镍钴(AlNICo)系金属永磁，第一代SMCo5永磁体(称为1:5型钐钴合金)，第二代Sm2Co17(称为2:17型钐钴合金)永磁体，第三代稀土永磁合金NdFeB(称作钕铁硼合金)。

随着科学技术的发展，钕铁硼永磁材料的性能不断提高，应用领域不断扩大。

高磁能积（50兆高奥≈400kJ/m3）、高矫顽力（28EH、32EH）和高使用温度（240C）的烧结钕铁硼已产业化生产。

钕铁硼永磁铁的主要原材料有稀土金属钕（Nd）32%、金属元素铁（Fe）64%和非金属元素硼（B）1%（少量添加镝（Dy）、铽（Tb）、钴（Co）、铌（Nb）、镓（Ga）、铝（Al）、铜（Cu）等元素）。

材料、信息与能源称为现代人类文明的三大支柱，其中材料最为基础，国民经济的各部门和高技术领域的发展都不可避免地受到材料—特别是高性能材料发展的制约或推动。

传统的电工材料一般是指电工设备中常用的具有一定电、磁性能的材料，按其用途可分为４大类：绝缘材料、半导体材料、导体材料和磁性材料。

但随着科学技术的迅猛发展，各种新型高性能材料不断涌现，为电工及相关行业的发展起到巨大的推动作用，应用领域也在不断拓宽，因此，把应用于电工产品的材料和以电、磁性能为特征的新型功能材料均定义为电工材料，提出了新型高性能电工材料的概念［１］，目前主要包括超导体材料、超磁致伸缩材料、磁性液体材料、电（磁）流变液、压电（铁电）材料和磁光材料等。

这些材料因其具有优异的性能，给电工行业带来了新的活力，在军民两用高技术领域有着广泛的应用前景。

１超磁致伸缩材料及其应用１．１性能特点铁磁材料或亚铁磁材料在居里点温度以下，在磁场中被磁化时，其长度和体积都要发生微小的变化，这一现象称为磁致伸缩或磁致伸缩效应，它是焦耳（Ｊ．Ｐ．Ｊｏｕｌｅ）在１８４２年发现的，故亦称焦耳效应［２］。

目前，磁致伸缩材料主要有三大类：镍和镍基合金、压电陶瓷材料（简称ＰＺＴ）和稀土超磁致伸缩材料。

稀土超磁致伸缩材料主要是指稀土－铁系金属间化合物，以Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ为代表。

稀土超磁致伸缩材料与压电材料（ＰＺＴ）和传统磁致伸缩材料Ｎｉ、Ｃｏ等相比，具有独特的性能：１）在室温下的磁致伸缩应变大，可达０．１５％，比镍的高４０￣５０倍，比压电陶瓷高５￣２５倍，如此大的应变量，可以实现很高的输出功率；２）能量密度（Ｊ／ｍ３）高，比镍高４００￣８００倍，比压电陶瓷高１４￣３０倍；３）产生收缩的响应速度快，响应时间仅１０－６ｓ，即对磁化和应力几乎即时响应；４）输出力大，负载能力强，可达到２２０￣８００Ｎ；５）能量转换效率高，机电耦合系数Ｋ３３＞０．７，即能量转换效率高于７０％，而镍基磁致伸缩材料只有不到２０％，压电陶瓷也只有４０％￣６０％；６）具有较高的居里温度３８０￣４２０℃，工作性能稳定，可用于２００℃以上的较高温区，还可以通过成分设计调整温度特性；７）声速较小（ｃＨ≥１７００ｍ／ｓ），用于超声波元件可减小机械共振中所需要的尺寸；８）超磁致伸缩材料可＊收稿日期：２００７－１０－１５；修回日期：２００８－０６－２６基金项目：河北省百名优秀人才支持计划资助项目：河北省教育厅科研计划项目（项目编号２００６３３４）作者简介：侯淑萍（１９７３－），女，河北邯郸，讲师，博士研究生；主要研究方向为现代工程电磁场数值计算与磁技术及应用。

超磁致伸缩材料及其应用李　梅,吕银芳,陈　平,李湄静,荆小平,张会峰(陕西金山电气集团有限公司　陕西咸阳　712021)摘　要:介绍了超磁致伸缩材料具有高磁致伸缩应变 ,能量转换效率高、工作频带宽、频率特性好;稳定性好、可靠性高,其磁致伸缩性能不随时间而变化,无过热失效等特点;开发出的T b x Dy (1-x )Fe y 合金,在较低的外磁场下就能达到超磁致伸缩效果,并对T bFe 2,Dy Fe 2,T b 0.3Dy 0.7Fe 2(T erfenol D )做了特性对比;超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面广阔的应用前景,超磁致伸缩材料的应用及研究对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。

关键词:超磁致伸缩;磁致伸缩;特性;外磁场中图分类号:T P 211+.53 文献标识码:B 文章编号:1004373X (2005)1811402Giant Magnetostrictive Material and Its ApplicationL I M ei ,L V Y infang ,CHEN Ping ,L I M eijing ,JIN G Xia oping ,ZHA NG Huifeng(Shaa nx i Ji nshan Electric Cro up Co .Ltd .,Xi a ny ang ,712021,China )Abstract :U ltr a m agneto st rict ive mater ial is discussed in this thesis.It possesses high ,hig h energ y ex cha ng e efficiency ,w idew or king frequency r ange ,etc .it ′s not chang ed by time of mag neto str ictio n T b x D y (1x )Fe y allo y has ult ra mag netostr iction effect at lo w mag net ic field.Character istics o f T bF e 2,D yF e 2,T b 0.3Dy 0.7F e 2(T erfenol D )ar e also be co mpar ed in this art icle.T he ultramagne-tostr iction has widely applicatio n in acoustic f requency and ultr asonic,it plays an impo rtant r ole in sonar ,ocean development and detec-tio n t echno lo gy.Keywords :ultr a m agneto st riction ;m agneto est riction ;char acterist ic ;o ut side ma gnetic field收稿日期:20050628 磁致伸缩现象早在19世纪中叶就被发现,利用镍、坡莫合金、铁氧体等磁性材料的磁致伸缩效应制作的音响变换振子(超声波发生器)等器件,也早有实际应用,但由于其磁致伸缩量小,大致为10-5,从而被以PZT (代表性的压电材料,由Pb (Zr ,T i )O 3构成的陶瓷材料)为代表的压电材料占据主导地位。