超磁致伸缩材料及其应用

超磁致伸缩材料及其应用

周全祥（2009级应用物理学）

摘要：超磁致伸缩材料（GMM）是一种在室温和低磁场条件下，就能产生很大磁致伸缩应变的新型功能材料，具有输出力大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出应变大等优点，在智能系统中具有广泛的应用前景，其力学响应行为涉及变形场、磁场、涡流场、温度场相互耦合问题，直接关系到智能系统的性能指标和可靠运行。目前人们已经设计并制造出各种智能结构和器件，如:主动减振装置、高精度线性马达、超磁致伸缩微泵、微阀门、微定位装置等等，使得磁致伸缩材料在众多的功能材料中备受瞩目。超磁致伸缩材料Terfenol-D与压电陶瓷材料相比具有更优越的性能。

关键字：超磁致伸缩材料，工作特性，制备工艺，非线性，换能器，制动器Abstract：Giant Magnetostrictive Materlal，GMM in abbreviatory，is one kind of new funetion materials and can give giant magnetostriction strains with temperature indoor and low magnetie field.It has good features such as giants trains，high force，high energy density，high mechanical-magnetic coupling coefficient，mierosecond response and so on.Magnetostrictive materials have an immeasurable applied prospect in smart devices.A considerable coupling effect among mechanical field，magnetic field，thermal field，electrical field is therefore being a relevant concern in the applications of magnetostrietive devices.Motivated by the need to promote a more efficient design process and higher performance achievement of development of materials，devices and system designs.GMM is a kind of new type of functional material，which has been used to design and fabricate many intelligent devices such as active vibration absorbers，linear motors，micro-pumps，micro-valves，and micro- positioners etc. Terfenol-D than piezoceramic material has more superior performance.

Key words：giant magnetostrictive material，working chracteristic，preparation technique,nonlinear，transducer，displacement actuator

前言

超磁致伸缩材料(giant magnetostrietive material，简写为GMM)是A.E.Clark等人于70年代发现的，是一种新型的功能材料，它能有效地实现电能与机械能的相互转换。由于具有应变值大、电能一机械能转换效率高、能量传输密度大、高响应速度等特点，该材料已引起广泛的注意，并逐步开始应用于声纳、超声器件、微位移控制、机器人、流体器件中。表1.1给出了电磁场，变形场和温度场之间能量转换的不同效应。形状记忆合金和压电陶瓷都已在航空航天结构中被用于控制和制动。形状记忆合金非常适合用在高冲程量、低带宽的领域中，例如旋翼叶片的飞行追踪。而压电陶瓷适用于低冲程量、高带宽的情形，例如被安置在直升飞机的后缘襟翼上以降低较高的谐波振动。

磁致伸缩材料可以提供机械能和磁能之间的转化，其带宽在30KHz左右，低于电致伸缩材料和压电陶瓷，但高于形状记忆合金。在过去的几年中，能产生大于0.001应变的磁致仲缩材料受到广泛的关注，这主要是因为这种材料非常适合应用在一些需要较大驱动力和较小位移的领域，如可变形表面，主动振动控制和精确制造等等，在商业应用中也可以产生巨大的经济效益。磁致伸缩器件由于其独特的功能优势在许多危险工作条件和高温环境下性能出众，并且能够在低频磁场下调节应力和位移。相对于电致伸缩材料和压电陶瓷，磁致伸缩材料的优势在于其优越的力学性能和热鲁棒性，而相对于形状记忆合金，更具有应变大，带宽广和磁滞损耗低等优点。这些性能优势有利于开发研制传感器和制动器，甚至二者

的结合体，例如需要精密的自传感制动器。

一、工作特性

作为一种新型的功能稀土材料，与压电陶瓷(PZT)相比，超磁致伸缩材料具

有一些突出的优点:(1)可产生5~10倍于压电陶瓷的静态应变，在共振频率下，动态应变比静态应变还要更高出几倍，可在低压下使用;(2)在所有功能材料器

件中能量密度最高，输出功率高;(3)结构紧凑，工作频率范围宽(数百Hz—数

百kHz，有恒定响应的稀土超磁致伸缩材料换能器，能代替数个不同频率响应的压电换能器)，能量转换时损耗低;(4)工作温度范围广(Terfenol一D的温度范围为一50℃~70℃)且温度稳定性高(当工作温度超过其居里温度时磁致伸缩性能

不会发生不可逆变化;而压电陶瓷即使在居里温度的一半时，压电性能也会受到不可逆的损害，超过居里温度时则完全失去极化);(5)弹性模量随磁场变化，可调控。

二、制备工艺

2-1 ZMLMC法

该方法将区域熔化与液态金属冷却相结合,利用感应加热集中对凝固界面前沿液相进行加热,从而有效地提高了固液界面前沿的温度梯度.采用ZMLMC方法制备Tb-Dy-Fe磁致伸缩材料,在8×104A/m磁场下,磁致伸缩系数达10-3以上,压应力下的饱和磁致伸缩系数达1·7×10-3,比采用其他方法制备的同一材料的性能高得多.由此可见,高温度梯度定向凝固技术在现代凝固理论特别是高性能材料制备中已经发挥了重要作用。

2-2 深过冷定向凝固(DUDS)

深过冷定向凝固是深过冷与定向凝固的结合,是利用电磁悬浮冶炼、循环加热和熔体净化相结合的方法.使液态金属获得深过冷,然后,在临界过冷度附近采用可提供一定温度梯度的激发源予以激发,完成深过冷熔体激发快速定向凝固.由于深过冷定向凝固集中了深过冷凝固与定向凝固的各自优势,深过冷定向凝固技术克服了传统定向凝固技术的一些不足之处。但是深过冷定向凝固法作为一种改进的定向凝固法仍存在一些问题有待解决,过冷度太小或太大都不能形成理想的枝晶组织,深过冷定向凝固即过冷熔体中强制枝晶生长形成理想的枝晶阵列微观组织仅局限于某一过冷度范围内。