稀土超磁致伸缩材料应用及展望

第1页共7页电磁场与电磁场结课论文稀土超磁致伸缩材料应用及展望学院：计算机学院专业：通信工程学号：152210704121姓名：李越洋2017.11.30—2017.12.2第2页共7页稀土超磁致伸缩材料应用及展望李越洋（江苏科技大学，计算机学院，通信工程，152210704121）摘要：以Tb-Dy-Fe合金系为主，对稀土超磁致伸缩材料的基本性能作了简要的介绍，并与其他磁、电致伸缩材料进行了对比。重点介绍了影响该系合金性能的主要因素和该类合金具体应用，并叙述了超磁致伸缩材料研究的最新进展及进一步研究的方向。关键词：超磁致伸缩材料；稀土；应用；合金ApplicationandProspectofRareEarthMagnetostrictiveMaterialLEEYue-Yang（CollegeofComputerScience,TelecommunicationEngineering,152210704121,JiangsuUniversityOfScienceAndTechnology）Abstract:ThebasicpropertiesofrareearthgiantmagnetostrictivematerialsaremainlyintroducedbyTb-Dy-Fealloysystem,andcomparedwithothermagneticandelectrostrictivematerials.Themainfactorsinfluencingthepropertiesofthealloysandthepreparationmethodsofthealloysareintroducedemphatically,andthelatestresearchprogressandfurtherresearchdirectionofthegiantmagnetostrictivematerialsaredescribed.Keywords:Giantmagnetostrictivematerial;Rareearth;Application;Alloy1引言自从70年代美国海军防卫研究所的A.E.Clark博士发现了具有超磁致伸缩特性的某种稀土铁合金(Tb0.3Dy0.7Fe2后被命名为Terfenol-D)的居里温度高达600—700K以后，大大地激发了人们对这种材料的研究和应用。特别是近10年来，相继召开3次稀土超磁致伸缩材料的基础研究和应用开发的国际会议。目前，稀土超磁致伸缩材料的生产和应用被普遍认为将是新的经济生长点。[1]磁致伸缩现象是在150多年前发现的（JouleJPPhilosophicalMagazine，1847，30，p.76）。从那时起，既有基础科学的研究，又有诸如声音发生器，磁声变压器，光电系统执行器，无损控制和远程检测和测距等领域的应用。微加工等现代技术和稀土类散装材料，磁性薄膜等材料的近期发展为磁致伸缩的研究和应用提供了新的机遇。因此，发现巨磁致伸缩使得能够特别地生成超声波并且扩展非破坏性控制技术的使用；低温技术的发展给强迫磁致伸缩带来了新的认识，即与磁化反转和热活化过程有关的不可逆分量，这些过程涉及磁畴壁和磁通线的位移，即磁和超导器件的稳定性，以及到稀土磁体中的巨磁致伸缩（高达10-2）。作为磁各向异性的应变导数的磁致伸缩的新兴领域与此有关磁记录行业，特别是记录密度超过20Gbits/in2。随着器件的物理尺寸减小，表面积与体积之比增加，并且表面各向异性（磁致伸缩）效应可能在最终开关速度或本底噪声方面变得显着。最近在高温超导体中发现了磁场诱导的巨磁致伸缩。磁致伸缩应变可能限制这一重要材料组的技术应用。2超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料GMM(GiantMagnetostrictiveMaterials)为稀土元素铽Tb(Terbium)、第3页共7页镝Dy(Dysprosium)和铁(Fe)的合金化合物，其基本结构成分为TbxDy1-xFe2（x=0.2—0.4）所以又称为稀土超磁致伸缩材料。该材料首先由美国海军防卫研究所(NOL)于70年代初研制成功，故此材料又称为Terfenol-D。磁致伸缩材料表现出应变由磁矩的方向时暴露于磁场。一个新的类Ullakko等人发现的磁致伸缩材料（1995,1996）被称为磁性形状记忆（MSM）合金或铁磁形状记忆合金（FSMA）材料。热弹性马氏体相MSM材料的转变产生了一个低的对称相与大磁晶相各向异性和高度可移动的双边界之间变种。MSM材料表现出巨大的磁性场诱导应变（MFIS）的基础上晶体结构域的重排（双胞胎变种）。在磁场中那些马氏体具有易磁化轴的变体由于双边界的运动，该领域开始成长并成为主导。这个过程降低了磁化能量。MSM材料的MFIS是独特，因为它产生了相当高的一个大应变频率在外部没有变化温度。因此，MSM材料是对于执行器和传感器可能是重要应用。近几年来又研制成Terfenol-D薄膜材料(ThinFilm)，在微机械电子系统(Mems)和声表面波(SAW)以及微型泵、阀等器件方面展现出广阔的应用前景。Terfenol-D材料的缺点是材质脆，机械加工困难，高频涡流损耗大，价格较贵等等。但尽管如此Terfenol-D材料及其应用将成为高科技发展的新生长点，越来越受到人们的重视。表1为超磁致伸缩材料Terfenol-D和其他一些磁致伸缩材料的性能比较[2]。3超磁致伸缩材料的应用超磁致伸缩材料由于其独特且优异的性能被广泛应用于各个行业，特别适用于军事领域，是国防战略性资源材料。通过最近几十年的发展，以GMM材料为基础的工业产品就有上千种，以下仅从几大角度对GMM的应用进行分析。3.1声学应用领域（1）低频声纳探测系统在大功率低频声纳系统方面，国际上使用较多也较为先进的水声换能器是方环换能器[3]（如图2），是由美国的Gould公司与Rayfhlon公司共同研制生产出来的。它最大的特点是在低频中仍具备大功率，因而声信号衰减小，传输距离远，而且体积小，耐高压。在许多发达国家的海军装备中，其声纳系统都是由这种先进的GMM器材所构建。（2）超声应用系统图1几种磁伸缩材料的性能Fig.1Severalkindsofmagnetostrictivematerialsperformance第4页共7页图2超磁致方环换能器Fig.2Giantmagnetostrictiveringoftransducer图3超磁致伸缩大功率超声换能器Fig.3Giantmagnetostrictivehighpowerultrasonictransducer施加应力超磁致伸缩棒空气隙永磁铁轭铁图4超磁致伸缩力传感器Fig.4Giantmagnetostrictiveforcesensors图5超磁致伸缩轴向扭矩传感器Fig.5Giantmagnetostrictiveaxialtorquesensors由GMM制成的大功率超声换能器，不仅广泛应用于破碎、焊接、医疗器械、分离、清洗这些领域，还可使化工过程的化学反应加速、农作物大幅度增产等。一般的大功率磁致伸缩超声换能器结构如图3所示，它的基本工作原理为：线圈中通入交流电，产生交变驱动磁场，该磁场使超磁致伸缩棒频繁伸长、缩短，随着伸缩棒的伸长及缩短，输出杆产生超声振动，从而传递出大功率声能[4]。3.2力传感领域由于稀土超磁致伸缩材料存在一个重要的物理效应—磁致伸缩逆效应，人们就利用这一物理效应制备出了高灵敏力传感器[5]（如图4）。这种力传感器比压电陶瓷传感器的性能更突出，具有体积轻巧、抗干扰能力强、过载能力好、工艺简单、长寿命等优点，不仅可以用于静态力测量，还适用于动态力的测量，普遍适合在应用在重工业、化学化工、自动化控制系统等领域。日本的M.Sahashi等发明的接触型扭矩传感器，其灵敏度比传统的金属电阻薄膜扭矩应变计要高10倍[6]，日本Kyushn大学研制的非接触型扭矩传感器，可以测量瞬间扭。最近由我国研制的一种新型轴向扭矩传感器如图5所示，它具有非接触检测、高灵敏度、耐用及小型化等特点，适用于电动助力转向器。第5页共7页图6典型的超磁致伸缩微位移执行器Fig.6Classicmagnetostrictivemicro-displacementactuator1.外套2.出水管3.弹簧4.输出轴5.导向块6.导磁体7.超磁致伸缩棒8.水箱9.永磁体10.导向块11.进水管12.导磁体13.螺钉14.底盖15.传感器16.线圈17.骨架18.电阻应变片图7超磁致伸缩微位移执行器Fig.7Magnetostrictivesmallofdisplacementactuator3.3磁场探测领域利用磁致伸缩材料的正效应，可以制成各种各样的测量磁场强度的磁强计。最早的GMM磁强计是由美国衣阿华大学的R.Chung等人在1991年研发出来的，其传感器的灵敏度达到m71029.8，精度达到了。现今在磁场探测领域对GMM的应用研究已经转变到了磁—光类型的传感器的mAm/101606研究，武汉理工大学已经开发出磁场光纤传感器原形，成功地将磁—电传感类型升级为磁—光传感类型，其性能指标动态范围为：GsGs2210~10，灵敏度为：GsGs4310~10，可用于自导武器引信等尖端领域[7]。新型的磁—光类型传感器比传统的磁—电类型传感器灵敏度更大，广泛适用于地质探矿、生物工程、军事制导等领域。3.4精密控制领域由于GMM具有高响应速度、磁致伸缩灵敏、输出应力大等主要特征，现今普遍用于航天定位、精密油吸、微机器人等精密控制领域。可以说，到目前为止，GMM在此领域的应用和人们对它的研究是最广泛和最为前沿的，用GMM制备的精密控制器件包括了薄膜型执行器、纳米级致动器、微型泵、高速开关等等。国内外研究超磁致伸缩执行器的机构和公司有很多，其中美国ETREMAProductsINC公司开发生产的超磁致伸缩执行器性能比较突出[8]。一般典型的超磁致伸缩微位移执行器结构如图6所示，但这种执行器涡流比较大，温度对性能影响较大。目前由我国大连理工大学研制的新型超磁致伸缩微位移执行器如图7所示[9]，它通过将GMM进行叠片放置的方式减少涡流损耗，而且通过冷却水来消除温度对GMM性能的影响，其拉伸强度比普通的超磁致伸缩微位移执行器更大，性能指标已经达到了国际领先的水平[9]。3.5动力输出领域利用GMM高能量密度这一特性，可制作大功率微型马达动力输出装置。与传统的电磁马达或压电超声波马达相比，超磁致伸缩马达的体积很小，而且输出力大、控制精度高[10]。目前所研究与应用的微型马达主要有步进式和椭圆模态驱动式马达，其中步进式马达又是由一种尺蠖式马达发展而来的。第6页共7页图8尺蠖式马达Fig.8Cankerworm-typemotor图9步进马达Fig.9Steppermotor图10超磁致伸缩马达定子Fig.10Giantmagnetostrictivemotorstator尺蠖式马达是1988年由德国柏林大学的L.Kiesewetter教授利用超磁致伸缩材料棒作为驱动元件研制出来的，并且是世界上第一台超磁致伸缩马达。当线圈通入电流并且位置发生变化时，超磁致伸缩棒交替伸缩，像虫子一样蠕动前进，故称之为尺蠖式马达[11]（如图8）。到了20世纪90年代初，美国的J.M.Vranish等在尺蠖式马达蠕动原理的基础上，开发出了转动式步进马达，其结构如图9所示[12]。椭圆模态运动的GMM马达工作效率比较低下，这是由于定子运动到椭圆轨道下半部分时，作空载回程运动，因而不能推动转子运动所致。目前由杭州科技大学设计的新型超磁致伸缩马达解决了这一问题，该马达的定子由一个环和两个Terfenol-D线性驱动器构成，如图10所示。其中结构相同的GMM驱动器a和b相隔，均分布于定子外圆周上。当a和b的驱动器电压相位差为时，定子将做半径为L的圆周平动，最后通过定子和转子间的接触摩擦力推动转子运动。4展望超磁致伸缩材料的发展虽然只有几十年的历史，但是其在航天