超磁致伸缩材料及其应用

超磁致伸缩材料及其应用一、超磁致伸缩材料基本概况1．研究背景20世纪80年代,人们提出智能材料的概念以来,有关智能材料的机理研究、智能材料的制备研究以及以智能材料为基础的智能系统与结构的基础与应用研究已成为当前力学、物理、材料、电子、机械及信息等学界的重大基础及应用课题,并已取得了大量卓有成效的研究,形成了智能系统科学与技术这一新兴的多学科交叉的高技术领域。它不仅用在国防和航空航天等高技术领域,而且在民用工业及生产活动中也发挥着重要的作用。智能材料系统与结构中智能材料是关键,它是一种能通过系统调节材料自身各种功能并对外界复杂环境条件发生变化做出反应而发挥主动功能作用的材料,即具有感知环境变化和对外部环境做出反应的能力。其中,一类是对外界的刺激强度具有感知,如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等;一类是对外界环境条件发生变化做出响应。它们可以和控制电路、接口电路、数据通信及电源系统于一体,实现能量之间的转换,制作出各种各样的传感功能和执行功能的智能器件。目前,智能材料具有驱动功能作用的主要有压电材料、电致伸缩材料、形状记忆合金材料、磁致伸缩材料和电(磁)流变液等。表1.1所示为几种智能材料基本性能。表1.1几种常用功能材料基本性能指标超磁致伸缩材料作为一种新型智能材料,其优良的磁致伸缩特性及潜在的应用前景在高技术领域得到普遍的重视,成为智能材料及其应用设计中的一种重要单元。2.超磁致伸缩的发展1842年著名物理学家焦耳首先发现:在磁场中,铁磁材料由于磁化状态的改变会引起其长度或体积发生微小变化，这种现象就称为磁致伸缩，也称焦耳效应。其中，材料在磁化过程中伴有晶格的自发变形，会沿磁化方向发生伸长或缩短的现象，称为线磁致伸缩;体积发生膨胀或收缩的现象称为体积磁致伸缩。一般的，由于体积磁致伸缩发生在材料达到饱和磁化以后，且体积磁致伸缩比线磁致伸缩要微弱得多，实际用途又非常少，在测量和研究中考虑得很少，因此工程上的磁致伸缩均指线磁致伸缩。线磁致伸缩的大小用磁致伸缩系数λ(即沿着磁场方向的相对伸长)衡量，如图1.1所示，当材料达到饱和磁化时，义将达到最大值，即称为饱和磁致伸缩系数λs。图1.1磁致伸缩材料在外加磁场作用下产生变形的示意图自从发现铁磁材料中存在磁致伸缩现象以后，人们对磁致伸缩材料的开发与探索陆续有了新的进展。1940年，多晶体Ni和Co、坡莫合金以及铁氧体所具有的磁致伸缩特性被研究人员发现，但饱和磁致伸缩系数量级约为30~70ppm(ppm=10-6)具有的低量级磁致仲缩系数限制了真正的广泛应用，仅有超声换能器等少数领域应用。1962年，美国水面武器研究屮心Clark博士等发现，稀土铽(Terbium)和镝(Dysprosium)单晶材料在0K低温下具有接近于1%的超大的磁致伸縮系数，但因其无法在正常的环境温度下工作而失去实际应用价值。1972年，Clark等制备出了能够在常温环境下具有超磁致伸缩系数的二元立方晶Laves相稀土金属化合物TbFe2和DyFe2，但这两类化合物具有非常强的磁晶各向异性(K1为磁晶各向异性常数)，TbFe2的K1=-7.6x106J/m3，DyFe2K1=2.1xl06J/m3，需要很大的外加磁场才能使它们达到饱和状态，这增加了实际应用的困难，不易于发挥它的超磁致伸缩优势。为了能够实现低磁场下的磁致伸缩特性，1974年，Clark等利用具有反号磁晶各向界性常数的化合物TbFe2和DyFe2组合起来形成伪二元化合物Tb1-xDyxFey(0xl，0y0.2)合金，其磁晶各向异性常数K1可大大减低，在298K为-0.6xl06J/m3，外场作用下的饱和磁致伸缩系数大于1000ppm，达到饱和磁化所需的外加磁场强度小于0.3T，从而真正意义上实现了低磁场和常温环境下的超磁致伸缩特性，具有了真正的应用价值。通常的，由于Tb1-xDyxFey合金的特性以及制备工艺和应用Tb1-xDyxFey，合金常被制备成棒材，其轴向磁致仲缩性能最为研究人员关注，目前实用阶段的超磁致伸缩材料棒材在外界预应力作用下其磁致伸缩系数最大可达到1800ppm，实验室得到最大值为2375ppm。从70年代中期发现超磁致伸缩材料Tb1-xDyxFey合金以來，研究人员不仅对超磁致伸缩材料磁致伸缩性能进行了深入的研究，也对超磁致伸缩材料成分差异与制备工艺对超磁致伸缩材料性能影响进行了深入的研究，从而加快了超磁致伸缩材料的工业化、实用化和产品化以及功能器件的实际应用。如美国的EdgeTechnolies公司推出的商标为Terfenol-D的磁致伸缩材料、瑞典FeredynAB公司推出的Magmek86产品、英国稀土制品公司、日本东芝公司和住友轻金属工业株式会社等相继研发出自己的超磁致伸缩材料。在我国，也有相当多的单位开展了这种材料的研究，虽然开展的研究较晚，但其研究速度较为迅速。已经有较多单位和企业生产成分为TbDyFe的超磁致伸缩材料，如包头稀土研究院、北京有色金属研究院、中科院物理所、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，其主要性能和指标也都已经接近或者达到了国际同类产品的水平。一、超磁致伸缩材料的特性1.超磁致伸缩材料的优点目前，虽然研制出的超磁致伸缩材料在成分和制备工艺过程当中会存在一些差异，但超磁致伸缩材料的特性是共有的。以常用的TbDyFe合金棒材为例(成分为Tb1-xDyxFey，0.27x0.3，0.9y2.0)，商业上通常称为Terfenol-D，与传统的Ni和Co相比较，已经非常大的提高了常温低磁场下的饱和磁致伸缩系数;与压电材料PZT相比，性能远优于它，具体有以下儿个特点：（1）磁致伸缩系数大，通过改善驱动条件，可以达到1500~2000ppm，是传统材料纯镍(Ni)、钴(Co)的几十倍甚至几百倍，是压电陶瓷电致伸缩的5~8倍。（2）能量密度高，约为14000~25000J/m3，是压电陶瓷的15~30倍，因此输出功率大，输出应力强，有利于器件小型化、轻量化；（3）磁机转换效率高，最大磁(电)机耦合系数可达0.7~0.75，有效的提高了器件的能量转换效率；（4）效应速度快，加载磁场到材料输出相应的应变响应，可达到微秒量级；（5）居里温度高，约为380~420C，且在超过居里温度后又返回至居里温度以下，材料的特性不会发生改变，但压电陶瓷在超过居里温度后将永远失效；（6）线性范围宽，可以加载一定的偏置磁场，使材料工作在线性区域，可以实现高精度控制，即通过加载高精度磁场进行调节，可以达到纳米级高精度响应；（7）频率特性好，响应频带宽，可以从零赫兹到几千赫兹围工作；（8）声速为1720m/s，约为纯镍的1/3，压电陶瓷的1/2，且在有外加磁场下材料的杨氏模量可变，声速和固有频率可调，因此在相同体积下，Terfenol-D水声换能器的共振频率是压电陶瓷水声换能器的共振频率1/3~1/2，而辐射的声功率可比压电陶瓷水声换能器的竊射的声功率至少大10倍，适于低频下的工作，被称为革命性声纳换能器材料；（9）工作电压低,只要有磁场存在,就能工作,而压电陶瓷存在高压击穿,在应用中受限制；（10）材料输出稳定性好，可靠性高，磁致伸缩性能不会随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。2.超磁致伸缩材料的缺点当然，每种材料拥有优点的同时，也有一些缺点，超磁致伸缩材料也不例外存在一些缺点。TbDyFe合金棒材磁致伸缩性能的大小取决于外加磁场的大小，产生磁场的驱动线圈增加了器件的体积并且引起发热，影响了控制精度;电阻率低，高频时的涡流损耗降低了能量转换效率;抗压强度最大可达700MPa，但抗拉性能差，仅能承受约为28MPa的拉应力，属于脆性材料，加工工艺相对复杂;磁导率低，容易漏磁，降低了饱和磁化强度;存在磁滞现象等。这些缺点的存在必然在器件设计和工程应用中增加很大的困难，实际应用应予以避免，如优化驱动线圈设计降低器件的体积，增加水循环系统有效控制器件的温度，改变超磁致伸缩棒材为多层绝缘板材粘结成型减小涡流损耗、施加压力在材料上以免拉断、合理设计闭合磁路防止漏磁等等。3.超磁致伸缩材料的物理机制铁磁材料在外加磁场作用下其磁化方向和体积都会发生变化，这种宏观尺寸的变化与材料在外加磁场磁化过程中内部微观磁畴结构的改变有着密不可分的联系。磁致伸缩材料属于铁磁材料的一种，在铁磁材料中具有一些自发磁性的小区域，我们称之为磁畴，如图1.2所示，每个区域内部包含大量原子，这些原子在这一区域内平行有序的排列状态，称之为磁矩，也称为原子磁矩，它是磁性材料固有的'这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，这样各个区域的磁矩相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩也为零，从而在无外加磁场情况下磁畴是随机取向的且不显示磁性。在外加磁场作用下，铁磁材料内部磁矩进行有序排列，而且各个磁畴的区域大小发生变化即磁畴壁移，当所有磁畴内部磁矩按照外加磁场方向旋转并沿着磁场方向排列时，整个材料内部磁畴的磁化强度基本达到饱和，此时材料对外显示磁性，而正是由于磁畴壁移和磁矩旋转发生变化，引起了材料内部微观结构的变化，磁畴变化导致了材料宏观特性即磁致伸缩和磁化强度的改变，如图1.3所示。图1.2自由状态下铁磁材料内部特征图1.3磁化状态时铁磁材料内部特征根据铁磁学基本理论，超磁致伸缩材料磁化强度和磁致伸缩的改变从微观上来看既源于磁畴壁移，也与磁矩旋转有关。在这里，我们针对超磁致伸缩材料磁化过程中内部磁畴结构变化进行简明的介绍。超磁致伸缩材料磁化过程大致可分为四个阶段:如图1.4所示，第一阶段是畴壁的可逆移动，在外加磁场较小时，磁场促使畴壁移动，使某些磁畴的体积扩大，造成材料磁化，材料的磁致伸缩应变也是微弱的。但如若将外加磁场去掉，畴壁又退回原地，整个材料又会达到磁中性状态;第二阶段是不可逆磁化，随着外加磁场的增大，磁化曲线很快上升，材料磁化强度急剧增加，微观磁畴结构发生了很大变化，出现了跳跃式磁畴壁移现象，且这个过程是不可逆的。此过程由于磁畴壁移导致的膨胀使得磁致伸缩应变迅速增大，并在畴壁移动完成时磁致伸缩应变发生了最大的变化，即磁致伸缩迅速增加;第三阶段是磁畴磁矩旋转，随着外加磁场继续增大，磁畴壁移基本结束，磁矩会从远离磁场方向逐渐向外加磁场方向靠近而增加磁化强度，磁畴的转动过程既可以是可逆的也可以是不可逆的。而此时的磁畴旋转导致的磁致伸缩应变会变得很小;第四阶段是饱和磁化阶段，外加磁场虽然已经很大，但磁矩旋转已经变得非常小，对磁致伸缩的贡献也很小，磁化强度和磁致伸缩达到了饱和状态。图1.4磁致伸缩和磁畴变化与外加磁场的关系对于超磁致伸缩材料在有预应力作用时，可使材料达到比无应力载荷作用时更大的磁致伸缩应变。这是山于预应力改变了材料磁畴初始状态，使磁畴发生壁移，预应力方向的磁畴山于应力各向异性变小了，同时棒材的长度也变短了。从而在对材料进行磁化时，当外加磁场足够大就使得预应力改变的磁畴又会恢复到原来无预应力时的磁化状态，这样材料的磁致伸缩相比于无预应力时就会出现更大的磁致伸缩。在这里需要指出的是，预应力对于超磁致伸缩材料内部磁畴结构会有大的改变，包括磁畴壁移和磁畴旋转，磁畴壁移主要贡献了材料的磁致伸缩应变，磁矩旋转改变了材料的磁化强度即压磁效应，两者相比较主要是前者效应明显，所以在预应力作用下主要考虑的是材料的磁致伸缩特，一般会忽略压磁效应。二、超磁致伸缩材料的应用正如前面所提到，超磁致伸缩棒材在轴向外磁场作用下在长度上会随着磁场的增加而增加，磁场的减小而减小，具有耦合的磁弹效应，即Joule效应，且随外加力载荷的不同而有差异。基于这一特性可以制造出适用各种不同用途的执行器。同时,除了Joule效应外,超磁致伸缩材料它还有以下几个规合磁弹特性；（1）Villaiy效应(逆磁致伸缩效应):它是由应力导致的磁化改变。当外力作用于超磁致伸缩材料时，由于压力导致材料内部结构即磁畴结构的变化而改变了穿过材料的磁通密度，而引起了材料磁性能的改变。通过与棒材具有同向的探测线圈，可以获得与所加压力大小成正比