磁致伸缩材料的设计和应用

另一个基于预应力和偏磁的现象可以 用优化理论进行解释。磁致伸缩材料 的性能在不同的应用中非常复杂，因 为在运行过程中改变环境将改变材料 的特性。对于复杂性的全面了解将有 助于工程师开发出磁致伸缩材料的潜 在优点并由此优化基于巨磁致伸缩效 应材料的作动器。图 3 所示是长度在
外加磁场作用下改变的理想化关系。 当磁场反向施加，现象理应相反，即 材料负向应变，但负向场产生了如同 正向场的伸长磁致伸缩效应。曲线形 状让人想起蝴蝶，所以，这条曲线又 被叫做“蝴蝶曲线”。
列整齐。在点 3，出现饱和现象，阻 止了应变的进一步增加。
磁畴的重新定位的物理背景在于 简要、纲要性的描述图 2。在 0 和 1 区间之间，提供的磁场很小，磁畴几 乎不体现其定位模式。由材料如何形 成所决定的内容或许是其通常的定位 形式的一小部分，显出其永久性的偏 磁性。其导致的应变与磁致伸缩材料 的基本结构和材料化学成分均匀性有 很大联系。在 1-2 区间，我们设想， 应变与磁场之间存在几乎趋于线性的 关系。因为关系简单，容易预测材料 的性能，所以，大部分设备被设计工 作于这个区间。曲线超过点 2 后，应 变与磁场关系又变为非线性，这是由 于大部分磁畴已经按照磁场的方向排
被认为是磁致伸缩效应改变长度的原 因。磁畴旋转以及重新定位导致了材 料结构的内部应变。结构内的应变导 致了材料沿磁场方向的伸展（由于正 向磁致伸缩效应）。在此伸展过程 中，总体积基本保持不变，材料横截 面积减小。总体积的改变很小，在正 常运行条件下可以被忽略。增强磁场
可以使越来越多的磁畴在磁场方向更 为强烈和准确的重新定位。所有磁畴 都沿磁场方向排列整齐即达到饱和状 态。图 1 中即为长度随磁场强度变化 的理想化。
一个额外的磁致伸缩效应是巴瑞 特效应。在特定的极端运行条件下， 材料体积会随磁场而改变。例如，镍
在 80Ka/m 的体积改变率只有10 7 。Leabharlann 由于磁场而变化的体积太过微
小，以至于在通常工作状态下，可以
2. 磁致伸缩效应
铁磁类材料的晶体在磁场中会发 生变形。这种现象被叫做磁致伸缩效 应。其与多种物理现象相关联。通常 来说，磁致伸缩效应是机械能与电磁 能之间的一种可逆能量转化。磁致伸 缩材料因为其能够将能量从一种形式 转化为另一种形式，从而在作动器和 传感器中获得了应用。图 4 所示即为 与磁致伸缩效应相关的各种物理效应 之间的关系。
与磁致伸缩效应相关的最为人们 所知的效应就是焦耳效应。即铁磁棒 在纵向磁场中体积扩张（由于正向磁 致伸缩效应），或者缩小（由于负向 磁致伸缩效应）。这种效应被广泛应 用于磁致伸缩作动器中。磁致伸缩是 一种可逆的材料特性。在磁场较弱的 区域，试件形状即恢复至其原始尺 寸。Terfenol-D 材料的 比例在
磁致伸缩材料的设计和 应用
-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
磁致伸缩材料的设计和应用
Olabi A Grunwald
(都柏林城市大学 机械制造自动化学院)
摘要：磁致伸缩效应是指材料在外加磁场条件下的变形。磁畴的旋转被认为是
磁致伸缩效应改变长度的原因。磁畴旋转以及重新定位导致了材料结构的内部
1500ppm 范围之上，在共振频率下， 可以达到 4000ppm 之上。长度的增加 （纵向应变）或直径的缩小（周向应 变）大致与应用的磁场成比例，这种 作动器机理可以被用于多种用途的。
另一种广泛应用的磁致伸缩效应 被称为维拉利效应。这种效应基于这 样的现象，当外力施加于试件，穿过 试件磁通密度由于磁场的产生而发生 改变。磁通密度的改变量可以被拾波 线圈所检测，同时还与所加外力的大 小相关。维拉利效应是可逆的，并被 应用于传感器。
的特性，从而可以被用于许多先进设备。
关键词：磁致伸缩效应；作动器；传感器；Terfenol-D
1. 前言
现了。对于两类材料来说，磁致伸缩 现象的原因是相似的。小磁畴的旋转
磁致伸缩效应是指材料在外加磁 场条件下的变形。磁致伸缩效应于 19 世纪（1842 年）被英国物理学家詹姆 斯.焦耳发现。他观察到，一类铁磁类 材料，如：铁，在磁场中会改变长 度。焦耳事实上观察到的是具有负向 磁致伸缩效应的材料，但从那时起， 具有正向磁致伸缩效应的材料也被发
应变。结构内的应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于正向磁致伸缩效
应）。在此伸展过程中，总体积基本保持不变，材料横截面积减小。总体积的
改变很小，在正常运行条件下可以被忽略。增强磁场可以使越来越多的磁畴在
磁场方向更为强烈和准确的重新定位。所有磁畴都沿磁场方向排列整齐即达到
饱和状态。
本文将展示磁致伸缩效应的研究方法现状和其应用，诸如：大型作动器响
应、标准 Terfenol-D 作动器、基于 Terfenol-D 的直线马达（蜗杆驱动）、用于
声纳换能器的 Terfenol-D、用于无线旋转马达的 Terfenol-D、基于 Terfenol-D 的
电动液压作动器、无线型直线微型马达、磁致伸缩薄膜的应用、基于磁致伸缩
效应的无接触扭矩传感器和其他应用。研究表明，磁致伸缩材料具有许多优良
ΔE 效应也是一种磁致伸缩效 应。由于磁场的存在，试件弹性模量
发生了改变。Terfenol-D 材料的 比 例大于 5，因此被用于振动控制以及 宽带声纳系统。由于弹性模量改变， 磁致伸缩材料内部的声速发生了改 变，而这种改变可以被检测到。
魏德曼效应也是一种相关的效 应。这种现象的背景与焦耳效应相 似。只是，在磁场作用下，铁磁试件 扭转位移所带来的切应变，代替了拉 压应力-正应变的形式。
魏德曼效应的逆效应被称为马陶 西效应。
在线圈中通入交流电，产生纵向 磁场，这也反过来在试件中产生磁通
密度。已有的交变磁通可以被另一个 线圈所探测，拾波线圈可以测量磁通 密度的变化率。扭转铁磁试件导致了 试件的磁性变化，从而导致了磁通密 度变化率的改变。通过拾波线圈测试 磁性改变，可以估测切应力的改变， 进一步可以计算外加扭矩的大小。马 陶西效应在铁磁性试件引入永磁偏置 后得以完善，这一效应被用于传感 器。