电致、磁致伸缩材料功能及应用

二谈电致、磁致伸缩材料功能及应用
一、电致伸缩材料
在外电场作用下电介质所产生的与场强二次方成正比的应变，称为电致伸缩。

这种效应是由电场中电介质的极化所引起，并可以发生在所有的电介质中。

其特征是应变的正负与外电场方向无关。

在压电体中（见压电性），外电场还可以引起另一种类型的应变；其大小与场强成比例，当外场反向时应变正负亦反号。

后者是压电效应的逆效应，不是电致伸缩。

外电场所引起的压电体的总应变为逆压电效应与电致伸缩效应之和。

对于非压电体，外电场只引起电致伸缩应变。

电介质在电场作用下发生弹性形变的现象。

是压电效应的逆效应。

因电介质分子在电场中发生极化，沿电场方向排列的分子相互吸引而引起。

当场强大小发生周期性变化时，能引起材料沿电场方向发生振动。

若在电介质材料(如钛酸钡等)两端所加交变电压的频率与材料的固有频率相同时，材料将发生共振。

（1）电致伸缩效应与压电效应
电致伸缩效应也是一种基本的机—电耦合效应，但是对它的实研究开展得较迟，因为电致伸缩是个二次效应，通常由其产生的形变非常小，给实验带来了困难，因此人们对它不太熟悉。

众所周知，电介质晶体在外电场作用下应变与电场的一般关系式
=⋅+⋅⋅式中，第一项表示逆压电效应;d为压电系为: S d E M E E
数，第二项表示电致伸缩效应;M为电极伸缩系数，它是由电场诱导极化而引起的形变与电场平方成正比。

逆压电效应仅在无对称中心晶
体中才有;而电致伸缩效应则为所有电介质晶体都有，不过一般说来它是很微弱的。

压电单晶如石英、罗息盐等它们的压电系数比电致伸缩系数大几个数量级，结果在低于IMV/m的电场作用下只看到第一项的作用，即表现为压电效应。

在一般铁电陶瓷中，电致伸缩系数比压电系数大，在没有极化前虽然单个晶粒具有自发极化但它们总体不表现净的压电性。

在极化过程中净的极化强度被冻结(即剩余极化)并产生一个很强的内电场，如BaTIO。

陶瓷净的剩余极化产生一个27MV/m的内电场，这样高的内电场起了电致伸缩效应的偏压作用，因此极化后陶瓷在弱外电场作用下产生宏观线性压电效应。

一般铁电陶瓷的电场与应变曲线呈蝴蝶形而不表现出电致伸缩效应的二次方曲线。

如图1所示。

但是，只要有这样一些铁电陶瓷室温刚好高于它的居里点，不具有自发极化、没有压电性，介电常数又很高在外电场作用下能被强烈地感应极化伴随产生相当大的形变，就有可能表现出纯的大电致伸缩效应呈现出抛物线形的电场—应变曲线。

根据以上分析我们认为失去压电性、介电常数高是室温下大电致伸缩陶瓷材料的必要条件也可能是充分条件。

进而得出推论:具有大电致伸缩效应的陶瓷在晶体结构上应具有对称中心，居里点要在室温附近。

对于ABO钙钦矿型晶体B位正离子要有较大的“松动”空间，使感应极化容易产生。

（2）新裂电致伸缩材料的开发
泥镁酸铅系〔PMN)陶瓷是个老材料，作高介电率电容器用的铁电陶瓷。

早在60年代国外对它的弛豫铁电性作了广泛的研究。

国内也利用它生产低频独石电容器。

然而过去一直没有人注意研究它的电致伸缩效应。

1977年美国的L.E.Cross开始研究电致伸缩效应，并得到了美国海军的支持投下了大量人力、物力，与日本东京工业大学的内野研二等一起经过几年的探索在大家熟悉的铁电电容器陶瓷于MN系中发现了具有大电致伸缩效应的弛豫铁电体组份0.9PMN—0.1PT，其居里点在0℃附近。

经过进一步的探索1981年又开发了三元系固溶体0.45PMN—0.36PT一0.19BZN双弛豫铁电体具有良好的温度稳定性及大电致伸缩效应，被Cross认为是性能最好的一个电致伸缩材料L31，如图2所示。

PMN电致伸缩材料制备工艺如下:将PbO、MgO、Nb2O5—TiO2、BaCO3、ZrO3等试剂按比例棍合，在酒精中球磨、烘干在密封的氧化铝增涡中920℃锻烧15小时而后再经过二次950℃保温15小时的热处理，细磨压成薄片放在铂架上在密封的氧化铝钳涡中1300℃烧2小时。

1981年我们详细地分析比较了PMN系及PLZT系的结构特征及物理性能，注意到它们的相似处一弛豫铁电性。

从我们的推论出发经过独立思考，在为人们熟悉的电光陶瓷PLZT系中成功地发现了具有大电致伸缩效应的组份。

为了考察该组份的性能我们对它进行了详细的分析测量并作了微观解释，其主要性能见图3。

La:PZT电致伸缩材料是用若通的陶瓷工艺制备的，没有进行那种复杂的热处理，烧成是在1260℃保温1小时。

（3）应用
随着科学技术的发展在天文学和光通讯上需要用精密位移换能器对光程长度在儿个波长的微小范围内进行调节，在精密机械上也需要超微米给进装置、1980年Cross等利用流延工艺把0.9PMN—0.1P T材料制成独石元件在激光通讯和信息处理系统中作电控微位移器用。

厚度为0.15mm的瓷片在200V的电压作用下可产生5 10-4的纵
向应变，如图4所示。

二、磁致伸缩材料
具有显著磁致伸缩效应的、可将电能转换为机械能或将机械能转换为电能的金属、合金以及铁氧体等磁性材料称作磁致伸缩材料。

所谓磁致伸缩是铁磁物质(磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。

大家知道物质有热胀冷缩的现象。

除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。

铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。

工程上利用这一特性将电能转换成机械能或将机械能转换成电能。

磁致伸缩是指在交变磁场的作用下，物体产生与交变磁场频率相同的机械振动；或者相反，在拉伸、压缩力作用下，由于材料的长度发生变化，使材料内部磁通密度相应地发生变化，在线圈中感应电流，机械能转换为电能。

磁致伸缩材料根据成分可分为金属磁致伸缩材料和铁氧体
磁致伸缩材料。

金属磁致伸缩材料电阻率低，饱和磁通密度高，磁致伸缩系数λ大（λ＝Δl/l，l为材料原来的长度，Δl为在磁场H作用下的长度改变量）,用于低频大功率换能器，可输出较大能量。

铁氧体磁致伸缩材料电阻率高，适用于高频，但磁致伸缩系数和磁通密度均小于金属磁致伸缩材料。

Ni-Zn-Co铁氧体磁致伸缩材料由于磁致伸缩系数λ的提高而得到普遍应用。

由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移与信息）。

转换成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转换功能材料。

它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。

如可以用磁致伸缩技术定位，它的原理是利用两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号，然后计算这个信号被探测所需的时间周期，从而换算出准确的位置。

这两个磁场一个来自在传感器外面的活动磁铁，另一个则源自传感器内波导管（Waveguide）的电流脉冲，而这个电流脉冲其实是由传感器头的固有电子部件所产生的。

当两个磁场相交时，所产生的一个应变脉冲（Strain Pulse）会以声音的固定速度运行回电子部件的感测线圈。

从产生电流脉冲的一刻到测回
应变脉冲所需要的时间周期乘以这个固定速度，我们便能准确的计算出位置磁铁的变动。

这个过程是连续不断的，所以每当活动磁铁被带动时，新的位置很快就会被感测出来。

由于输出信号是一个真正的绝对位置输出，而不是比例的或需要再放大处理的信号，所以不存在信号飘移或变值的情况，因此不必像其它位移传感器一样需要定期重标和维护。

海洋占地球面积的70％，海洋是人类生命的源泉，但是人类对海洋的大部分还缺乏了解。

21世纪是海洋世纪，人类的生活、科学实验和资源的获及将逐渐的从山陆地转移到海洋。

而舰艇水下移动通讯、海水温度、海流、海底地形地貌的探测就需要声纳系统。

声纳是一个庞大的系统，它包括声发射系统，反射声的接收系统，将回声信息转变成电信息与图像，以及图像识别系统等。

其中声发射系统中的水声发射换能器及其材料是关键技术之一。

过去声纳的水声发射换能器主要用压电陶瓷材料（PZT）来制造。

这种材料制造的水声换能器的频率高（20kHz以上），同时发射功率小，体积大，笨重。

另外随舰艇隐身技术的发展，现代舰艇可吸收频率在3．0kHz以上的声波，起到隐身的作用。

各工业发达国家都正在大力发展低频（频率为几十至2000赫兹），大功率（声源级约220dB）的声纳用或水声对抗用发射水声换能器，并已用于装备海军。

低频可打破敌方舰艇的隐身技术，大功率可探测更远距离的目标，同时体积小，重量轻，可提高舰艇的作战能力。

低频大功率是声纳用和水声对抗用发射水声换能器今后的发展方向。

而制造低频大功率水声发射换能器的关键材料是
稀土超磁致伸缩材料。

发展稀土超磁致伸缩材料对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。

日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断层分析系统O A T （Ocean Acou stic Topography）和海洋气候声学温度测量系统A TOC （The Aco ustic Thermometry of Ocean climate）的水声发射换能器，其信号可发射到1000km的范围，可用于测量海水温度和海流的分布图。