国内外超磁致伸缩材料及作动器的
超磁致伸缩材料微位移驱动器的设计与实验研究
超磁致伸缩材料微位移驱动器的设计与实验研究超磁致伸缩材料微位移驱动器的设计与实验研究近年来，磁致伸缩（Magnetostriction）材料越来越受到人们的重视。
其材料特性及结构使其具有很高的控制精度，同时也有很高的可靠性和耐久性。
特别地，超磁致伸缩（Terfenol-D）材料是一种具有较高磁导率和较低电磁耗的材料，具有许多潜在的高效能应用。
本文从超磁致伸缩材料出发，研究了其微位移驱动器的设计与实验研究，并对其性能进行了评估。
一、超磁致伸缩材料的特性超磁致伸缩材料是一种由稀土、铁、镍等金属元素组成的晶体。
在磁场的作用下，其原子排列会发生微小的变化，导致晶体的几何形状随之发生微小的变化。
因此，超磁致伸缩材料可以被用来制作微差动位移传感器、微调节装置等。
二、超磁致伸缩材料微位移驱动器的设计超磁致伸缩材料微位移驱动器是一种利用材料的磁致伸缩效应实现驱动的设备，它包括外磁场源、磁致伸缩材料、位置检测装置和控制系统等。
（一）外磁场源驱动器的外磁场源是指将磁场导入磁致伸缩材料中的一种装置。
一般来说，外磁场源可以采用永磁体、电磁铁甚至是其他磁性材料来实现。
其中，永磁体的安装和调节较为简单，但其磁场稳定性和调节精度较差；电磁铁的磁场稳定性和调节精度较高，但其安装和调节较为复杂，同时存在发热问题；其他磁性材料则要求具有高磁感应强度和宽工作磁场范围等特点。
（二）磁致伸缩材料磁致伸缩材料是微位移驱动器的核心组成部分，其特性直接决定了驱动器的性能。
超磁致伸缩材料具有较高磁致伸缩系数和较低电磁耗，是一种性能较优的磁致伸缩材料。
同时，为了实现更大的位移和更高的控制精度，则应该选用形状记忆合金等多功能复合材料作为扩展材料，在磁致伸缩材料的基础上实现驱动。
（三）位置检测装置位置检测装置是指对位移量进行测量的装置。
在微位移驱动器中，可以采用磁电传感器和光电传感器等多种办法实现位置检测。
其中，磁电传感器具有检测精度高、不易受外界环境干扰等优点，但要求磁致伸缩材料必须处于完全连续的磁场中；光电传感器则无需磁场，但其探头精度较低。
超磁致伸缩作动器动力学模型构建及特性分析研究
超磁致伸缩作动器动力学模型构建及特性分析研究超磁致伸缩作动器动力学模型构建及特性分析研究引言超磁致伸缩作动器是一种基于磁性材料的智能材料致动器，具有高精度、高刚度、高运动分辨率和快速响应等特点，被广泛应用于精密定位、振动控制和自适应结构等领域。
了解超磁致伸缩作动器的动力学特性对于优化其设计和控制具有重要意义。
本文基于磁力平衡原理和动力学分析方法，提出了一种超磁致伸缩作动器动力学模型，并对其特性进行了分析研究。
模型构建超磁致伸缩作动器由磁铁、线圈和磁致伸缩材料组成。
在模型构建中，假设线圈内部感应电阻可忽略不计，并忽略壳体和线圈之间的磁阻。
通过磁力平衡原理，可以得到作动器的力学模型。
首先，根据安培定律，作用在线圈上的磁力可以表示为：Fm = B · I · l其中，Fm表示磁力，B是磁感强度，I是线圈电流，l是线圈长度。
通过磁感强度和线圈电流的关系可以得到：B = μ0 · (H + Ms · M)其中，μ0表示真空中的磁导率，H是外加磁场强度，Ms是磁致伸缩材料的饱和磁化强度，M是磁化强度。
接下来，根据赫斯定律和欧姆定律，可以得到线圈受到的电动势和电阻：E = -dφ/dt = - N · d(B · S)/dt = -N · S · d(B · I)/dt其中，E表示电动势，N表示线圈匝数，S表示线圈截面积。
根据电动势和电阻的关系可以得到：E = R · I + L · dI/dt其中，R表示线圈电阻，L表示线圈电感。
最后，根据牛顿第二定律，可以得到作动器的动力学方程： Fm - Fd - Fs = m · a其中，Fd表示阻尼力，Fs表示弹簧力，m表示作动器的质量，a表示作动器的加速度。
特性分析基于上述模型，可以对超磁致伸缩作动器的特性进行分析。
首先，通过数值方法求解动力学方程可以得到作动器的位置、速度和加速度随时间的变化。
稀土超磁致伸缩材料介绍及应用
稀土超磁致伸缩材料在居里点温度以下时，铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积会发生微小的变化，这种现象称之为磁致伸缩效应，长度的变化是1842年由焦耳发现致伸缩材料是近期发展起来的一种新型稀土功能材料。
它具有电磁能与机械能或声能相互转换功能。
“稀土超磁致伸缩材料”是当今世界最新型的磁致缩功能材料,是一种高效的Tb-Dy-Fe 合金。
它在低磁场驱动下产生的应变值高达1500—2000ppm，是传统的磁致伸缩材料如压电陶瓷的5—8 倍、镍基材料的40—50 倍，因此被称之为“超磁致伸缩材料”。
“稀土超磁致伸缩材料”产生的应力大、能量密度高，可瞬间响应，并且具有可靠性高、居里温度高等优点，而且还是一种环保型材料；其所具有的卓越的电磁能与机械能或声能转换性能，是传统的磁致伸缩材料所无法比拟的。
“稀土超磁致伸缩材料”可广泛应用于众多行业的科学研究与生产制造领域，从军工、航空、海洋船舶、石油地质，到汽车、电子、光学仪器、机械制造，再到办公设备、家用电器、医疗器械与食品工业，无处没有它大显身手的机会。
在国防、航空航天和高技术领域：如声纳与水声对抗换能器、线性马达、微位移驱动（如飞机机翼和机器人的自动调控系统）、噪声与振动控制系统、海洋勘探与水下通讯、超声技术（医疗、化工、制药、焊接等）、燃油喷射系统等领域，有广阔的应用前景。
“稀土超磁致伸缩材料”对生产技术与生产工艺的要求极高，目前只有少数几个国家的个别企业能够生产。
由三个组元组成（Tbl －xDyx）Fey（X＝0．27~0．40，Y＝1．90~2．0）在较低磁场下具有很高磁致伸缩应变λ的合金，如Tbo0．3Dy0．7Fe1．95 首先于20 世纪70 年代初由美国海军表面武器实验室的A．C．Clark 博士等人发明，当即他们申请了美国专利。
美国海军表面武器实验室于1987 年将该专利技术转让给美国阿依华州 A mes 市的前沿技术公司创建了专门生产稀土超磁致伸缩材料的E trema INC 分公司。
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。
超磁致伸缩材料发展动态与工程应用研究现状
[综述 专论]DOI :10.3969/.j i s sn .1005 2895.2011.01.收稿日期:2010 11 08;修回日期:2010 12 10基金项目:国家自然科学基金资助项目(50975256);浙江省自然科学基金重点资助项目(Z1080537);国家教育部博士点基金资助项目(20070335204)。
作者简介:宣振兴(1982),男,浙江义乌人,助理工程师,主要从事产品质量鉴定工作。
E m ai :l x uanz x1982@yahoo .co m.c n超磁致伸缩材料发展动态与工程应用研究现状宣振兴1,邬义杰2,王慧忠1,张 雷2(1.浙江省计量科学研究院,浙江杭州 310011;2.浙江大学现代制造工程研究所,浙江杭州 310027)摘 要:为了反映超磁致伸缩材料的国内外研究现状,对超磁致伸缩材料发展历程和性能特点进行了阐述。
在详细调研基础上,较全面地介绍了国内外超磁致伸缩材料在各工程领域的应用以及发展状况。
通过分析其历史沿革和最新成果,对未来的发展方向进行了展望,并对其应用潜力领域进行了预测。
图2参26关 键 词:材料学;超磁致伸缩材料;现状;应用;发展方向中图分类号: 文献标志码:A 文章编号:1005 2895(2011)01 0116 04Develop m ent and Applications R esearch on G i antM agnetostrictive M ateri alsXUAN Zhen x ing 1,WU Y i jie 2,WANG Hu i z hong 1,Z HANG Le i2(1.Zhe jiang P rov i nce Instit ute o fM etro l ogy ,H angzhou 310011,Ch i na ;2.Institute ofM anufac t ur i ng Eng i neer i ng ,Zhe ji ang U niversity ,H angzhou 310027,China)Abst ract :To report the current situati o n of g iant m agnetostrictive m ateria ls (GMM )at ho m e and abroad ,thedeve l o pm enta l h i s tory o f GMM is rev ie w ed and its good perfo r m ance is descri b ed .The status quo of app licati o n and deve l o pm ent of G MM i n d ifferent eng i n eeri n g fields at ho m e and abroad is presented by the sur vey syste m atica ll y .Theapp lication and developm ent o fGMM i n future is discussed.The fields where GMM has a huge po tenti a l use are also esti m a ted .[Ch ,2fi g .26re.f ]K ey words :m aterials ;g iant m agnetostrictive m ateria ls ;current situation ;applicati o n ;the d irecti o n for the futuredeve l o pm ent 1 问题的提出超磁致伸缩材料(G iant M agnetostricti v e M ateria,l 简写为G MM )是一种新型的功能材料,在室温下具有极大的磁致伸缩应变,典型代表为Terfeno l D,其饱和磁致伸缩系数 s 一般大于3.0 10-5。
超磁致伸缩材料传感／执行器的原理与应用
． Ｉ 专 家论 坛
超 磁 致 伸 缩材 料 传 感 ／ 执 行 器 的原 理 与应 用
贾振 元 ， 王福 吉， 邹 君 ， 刘 慧芳
（ 大 连 理工 大学 精 密 与 特 种 加 工 教 育 部 重 点 实 验 室 大连 ， １ １ ６ ０ ２ ４ ）
摘要
超磁致 伸缩材料作为一种新 型功能材料 ， 具有 大磁致 伸缩 系数 、 高能量 密度 、 低磁场 驱动 、 高磁 机转换效 率
以及快速 响应 等优点 ， 在精 密驱动技术 中得到应用 。利用磁致 伸缩 正效应 可以开发 微位移 执行器 、 力 驱动器 和振 动器 等 ； 利用磁致伸 缩逆 效应可 以开发力 、 力矩 和位移传感器 以及能量转换器 ； 利用磁致伸 缩正逆耦 合效应 可以开
发集驱 动 、 力测量 、 输 出力 感 知 和输 出力 可 控 等 功 能 于 一 体 的 器 件 ， 应 用 于 精 密 驱 动 领 域 。 在 分 析 了磁 致 伸 缩 正 效
材料 研究 所合 作开发 出了成分 为 Ｔｂ ∽Ｄｙ Ｆ ｅ 。 的
磁致 伸缩 材料 ， 由于其 磁 致 伸 缩 系 数 比一般 磁 致 伸
密度、 低 磁场 驱 动 、 高 磁 机转换 效 率 以及快 速 响应等
优 点 。该材 料具 有 强 磁 致 伸 缩 正效 应 、 逆 效应 以及 正 逆耦 合效 应 ， 表 现 出 双 向 能 量转 换 特 性 。利 用 磁
应、 逆效应 以及正逆耦合效 应机理的基础上 ， 阐述 了超磁致伸缩传感器 、 执行器以及传感执 行一体化 器件 的开发原
理及 其 应 用 现 状 。 关键 词 超 磁 致 伸 缩 材 料 ；执 行 器 ； ３ ４ ；ＴＨ３ ９
第8章超磁致伸缩材料
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。 用途：地质探矿、生物工程、军事制导等领域。
精品PPT
4、精密控制(kòngzhì)领域 特点：高响应速度、磁致伸缩灵敏、输出应力大等。普遍(pǔbiàn)用于航天定
图4 CU18A磁致伸缩超声换能器
精品PPT
2、力传感领域(lǐnɡ yù)
施加应力 超磁致伸缩棒 空气隙
原理：磁致伸缩逆效应。
永磁铁
优点：比压电陶瓷传感器的性能更突出，
体积轻巧、抗干扰能力强、过载能力好、工艺 简单、长寿命。
用途：静态力测量、动态力的测量、重工
轭铁 业、化学化工、自动化控制系统等领域。
图11 尺蠖式马达
精品PPT
椭圆模态运动的GMM马达工作效率较低 下，这是由于定子运动到椭圆轨道下半部分时， 作空载(kōnɡ zǎi)回程运动，因而不能推动转 子运动所致。 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。
图12 超磁致伸缩(shēn suō)马达定 子
稀土超磁致伸缩材料换能器的主要优点为大位移、强力、大功率以及控制精密和响应快 速，其他优点还包括可靠性高、磁(电)-机转换效率高、频带宽、能源供应简单等。另外，利 用应变直接转换成线性位移或按振动原理设计的器件结构简单、可动件少、刚性大、磨损小， 对精度、响应、可靠性和转换效率的提高也起了重要作用。
稀土超磁致伸缩材料响应速度极高(<1µs)，性能重复性好，换能器结构简单，消除了常 规系统中摩擦、空程、粘附引起的偏差和滞后。所以这种材料的换能器定位精度一般为 10−1µm，最佳可达纳米级。 8.3.1.3 可靠性(性能稳定，不易发生故障)
超磁致伸缩材料的工程应用研究现状
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国外有关超磁致伸缩材料的应用研究
稀土超磁致伸缩材料的优异特性一经发现立即受
到各国科技界、 工业界和政府部门特别是军事部门的 高度关注。 近几年来， 国外研制了近千种应用lt;>? 期
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现状・趋势・战略
二次电压信号。 压磁式压力传感器具有输出功率大、 抗 干扰能力强、 寿命长、 维护方便、 能适应恶劣工作环境 等优点， 在工业自动化领域中有着良好的应用前景。 多元稀土铁化合物存在一个补偿温度， 在此温度 下其热膨胀系数从 ! " #$ % & ’ ( 突然增大到 ##! " #$ % & ’ 弹性模量亦发生锐变， 并可通过改变磁场或材料的 (， 成分来改变补偿温度。 利用该特性可制作热膨胀检测 器件。 ) * + 在磁 ) 电 + —机械换能器中的应用 基于超磁 致伸缩材料的磁 ) 电 + —机械换能器具有大位移、 强力、 响应快、 可靠性高、 漂移量小、 驱动电压低等优点， 因而 在超精密加工、 微马达、 振动控制以及流体机械等工程 领域均显示出良好的应用前景， 是一种很有潜力的新 型智能驱动元件。 ! 在超精密加工中的应用 精度达到纳米级及以 上的超精密定位系统目前大多采用基于压电陶瓷材料 的致动元件， 其输出功率低， 且必须采取有效措施防止 冲击力和高驱动电压造成的击穿短路等问题。 超磁致 伸缩驱动元件输出位移是电致伸缩致动器的数十倍， 且可低阻抗运行。 日本茨城大学江田弘和东芝公司的 (,-./.012 合作设计了定位精度达到纳米级的超磁致 伸缩致动器 ) 见图3 + ， 并将其成功地应用于大型光学金 刚石车床的微进给装置
*
国内超磁致伸缩材料研究开发概况
功能材料 超磁致伸缩材料及其应用
超磁致伸缩材料及其应用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）。
超磁致伸缩超磁致伸缩材料（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，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。
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，可应用于声纳、超声器件、微位移控制、机器人、流体器件中。
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。
应用具有输出力大、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。
由于超磁致伸缩材料, 在磁场作用下长度发生变化, 发生位移而做功; 在交变磁场作用下, 发生反复伸张与缩短, 从而产生振动或声波, 将电磁能( 或电磁信号) 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), 这样可以制成功率电- 声换能器、电- 机换能器、驱动器、传感器和电子器件等, 广泛应用于海洋、地质、航空航天、运输、加工制造、医学、计算机、机器人、仪器、电子及民品等技术领域。
巨磁致伸缩材料及应用研究进展-中国材料进展
!第"#卷!第$期%&#%年$月中国材料进展'()*+,(-./0,1(2345"#!135$(675%&#%收稿日期 %&#%8#9基金项目 科技部:9"计划项目 %&#%/;<#:$&$ 作者简介 刘敬华 男 #:9=年生 博士 讲师通信作者 蒋成保 男 #:<=年生 教授 博士生导师巨磁致伸缩材料及应用研究进展刘敬华 张天丽 王敬民 蒋成保北京航空航天大学材料科学与工程学院 北京#&&#:#摘!要 巨磁致伸缩材料是%&世纪9&年代发展起来的新型功能材料 具有应变大 能量转换效率高等优点 在功能转换智能驱动 智能传感等高技术领域有重要应用 简要介绍了磁致伸缩及巨磁致伸缩材料的发展历史 从稀土巨磁致伸缩材料 非稀土巨磁致伸缩材料的合金化研究 制备技术和应用技术等方面综述了我国巨磁致伸缩材料的发展历程 介绍了我国的科研工作者在巨磁致伸缩材料研究领域所取得的重要研究成果 最后对巨磁致伸缩材料发展及应用进行了展望关键词 巨磁致伸缩材料 磁致伸缩 合金化 制备 应用中图分类号 >$=%5?$ );"$!!文献标识码 (!!文章编号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前!言巨磁致伸缩材料是一种新型金属智能材料 具有磁致伸缩应变大 磁8机械耦合系数高 能量密度高 承受压应力大 响应速度快 可靠性好 驱动方式简单等综合优点 在航空航天 机械电子 环境能源 交通运输等领域有重要应用背景巨磁致伸缩材料的研究 始于%&世纪<&年代 在稀土金属中发现了&\附近#&8"量级的磁致伸缩#比[L 1B 等传统磁致伸缩合金高出数百倍 在此基础上 人们在!H C 合金系中开发了)M]T H C 和)MI RH C 低温巨磁致伸缩材料 % #:9%年 /4G 7^等在![L %合金系中开发出具有低磁晶各向异性的室温巨磁致伸缩材料)M]T [L %.K ]T [L %等 "其中)M "]T #8"[L #"_&5%9`&5" #_#5:`#5:? 合金具有最佳的室温性能 被称为)L 7O L C34Z ]合金$8?%&&&年以来 /4G 7^等人发现了[L I G [L ;L等新[L 基非稀土磁致伸缩材料 具有低场大磁致伸缩和良好的力学性能 <89 其中[L I G 合金被命名为I G 4O L C34合金发展到今天 巨磁致伸缩材料已经形成一类重要的金属智能材料 并引发了电子信息系统 传感系统 振动系统等高技术的革命性变化 在巨磁致伸缩材料的发展过程中 我国的科研工作者取得了一批重要的研究成果 本文主要综述我国在稀土巨磁致伸缩材料和新型非稀土巨磁致伸缩材料的基础研究及应用研究方面的进展!稀土巨磁致伸缩材料5 ! 磁致伸缩材料的合金化研究在单晶)L 7O L C34Z ]中用(4取代[L 使其晶格常数增加 居里温度降低 各向异性补偿温度提高%&\ ###从#5&#a #&8"增加到#5?$a #&8" = 添加少量;可以有效抑制对磁致伸缩有害的![L "相形成 进而提高合金的磁致伸缩性能 : 'C 取代[L 虽然合金的相组成仍然是主相-G S L Q 相和少量富稀土相 但饱和磁致伸缩Q 饱和磁化强度$Q 和磁晶各向异性%#降低#&中国材料进展第"#卷用b 7取代)M 或]T 使各向异性补偿成分点向高)M方向移动#成分为)M &5%?]T &5<?b 7&5#[L #5=?的合金磁致伸缩达到最大值(##)%对]T &59%8")M "b 7&5"![L &5:;&5#"#5:"!&!"!&59&"合金#"从&5#?增加到&5%?#易磁化方向从c #&&d 轴向c###d 轴转变%具有单相-G S L Q 相的)M &%?]T &5$?b 7&5"![L &5:;&5#"#5:"合金在室温具有大的自发磁致伸缩! ###"#=?&a #&8<"和低的各向异性(#%)%(4#I G #/7#'C 等元素取代)M &5%?]T &5<?b 7&5#[L #5=?中的[L 均能保持-G S L Q 相结构#但居里温度和磁致伸缩性能下降(#"8#?)%b 7含量高达稀土总量=&e 的!)M &5%b 7&5="Z![L &5$/3&5<"#5:"8";"磁致伸缩合金(#<)#其-G S L Q 相的居里温度和晶格常数随硼含量的增加而增加#少量的硼能降低合金的磁晶各向异性#从而改善室温低场磁致伸缩性能%北京航空航天大学通过改变)M[L %和]T [L %的比例#同时添加高居里温度元素/3(#98#:)#同步实现了易轴转变温度的降低和居里温度的提高#从而显著拓宽了材料磁致伸缩性能优异的菱形相区#成功研制了宽温域巨磁致伸缩合金#在8=&`f #&&g 范围内都保持了高的磁致伸缩性能!如图#所示"#温度系数是传统)M &5"]T &59[L #5:?合金的#h "%此外#研究表明#添加/3并没有改变合金的易磁化方向#超精细电子结构研究揭示了/3元素添加导致"R 电子层填满状态的改变(%&)%图#!)M]T [L /3合金在8=&g #"&g 和#&&g 的磁致伸缩曲线[B D 5#!'G D CL P 3Q P 7B N P B 3C N F7S L Q 3O )M]T [L /3G 443T Q K L G Q F7L RG P8=&g #"&g G CR #&&g)M]T [L 合金的电阻率过低#仅仅为<&!"*N K #即使在低频下也会有涡流发生#严重限制了其实际应用%.B 元素添加能大幅提高其电阻率%.B 含量为"_&5&%?和"_&5#的铸态合金电阻率比未添加.B 的)M]T Z [L 三元合金分别提高了<<e 和:9e #而c ##&d 取向晶体的电阻率略小于铸态(%#)%此外#在.B 合金化的基础上#通过合理的成分设计#实现了合金元素选择性分布控制#使合金保持主相-G S L Q 相不变以保证大磁致伸缩效应#同时.B 元素选择性地进入富稀土!相可提高耐腐蚀性#从而开发了耐腐蚀巨磁致伸缩材料(%%)#在磁致伸缩性能基本相当的情况下#耐腐蚀性能提高#&倍!如图%所示"%电极化曲线和阻抗测量表明#腐蚀电流下降?倍#阻抗提高#倍%第一原理计算结果表明#.B 元素添加使稀土元素费米面附近电子能量显著降低#从而降低了腐蚀速率%图%!在"5?e1G /4水溶液中的浸泡实验表明#)M]T [L .B 合金比)M &5"]T &59[L #5:?合金的耐蚀性明显增强[B D 5%!J L B D EP 43Q Q N F7S L Q 3O )M]T [L .B G 443T S Q Y )M &5"]T &59[L #5:?G 443T B C "5?e 1G /4Q 34FP B 3C)M]T [L 合金的磁致伸缩性能具有较宽的滞后特征#主要来源于其较大的磁晶各向异性能%添加03可有效降低合金的磁晶各向异性能#进而显著降低磁致伸缩应变滞后磁场(%"8%$)%合金依然具有-G S L Q 单相结构#晶格常数随03含量增加而减小%在03含量小于&5"e 时#通过调整)M 和]T 元素的比例#)M]T [L 03合金在较宽的温度范围均具有窄滞后巨磁致伸缩特性%"5"!)*'(体系磁致伸缩材料的合金化研究钢铁研究院戴礼智等人是我国开展磁致伸缩材料研究的先驱之一#他们在.K Z [L 合金中加入'3和2#用i 射线衍射研究了合金中-G S L Q 相金属间化合物的磁致伸缩与结构之间的关系以及在磁致伸缩上引起的晶格畸变(%?)%稀土元素取代.K 元素对.K [L 合金的内禀性能及磁致伸缩性能影响显著%对于.K #8"]T "[L 合金#当"c &5#?时易磁化方向为c ###d #当"d &5$时易磁化方向为c#&&d #合金的磁致伸缩随]T 含量的增加而降低(%<)%b 7取代.K 后.K #8"b 7"[L %的磁致伸缩在"_&5#时出现峰值(%98%:)%少量1R 取代.K 明显提高合金的负磁致伸缩! #8 $_8%#=9a #&8<"!如图"所示"("&8"#)%用/3#'C #(4等元素取代低场性能较好的.K &5==Z ]T &5#%[L %中的[L 元素#均降低了合金的磁致伸缩("%8"")%"5+!稀土巨磁致伸缩材料的理论研究杨森等采用同步辐射i 射线技术系统研究了)M/3%Z%!第$期刘敬华等'巨磁致伸缩材料及应用研究进展图"!.K #8"1R "[L #5??合金在不同磁场强度下的磁致伸缩曲线[B D 5"!'G D CL P 3Q P 7B N P B 3C N F7S L Q 3O .K #8"1R "[L #5??G443T Q B C RB O O L 7L CP G 664B L R K G D CL P B N O B L 4RQ]T /3%合金体系的结构和性能("$)#发现自旋再取向温度是以c ###d 方向为易轴的菱形相和以c &&#d 方向为易轴的四方相这%个准同型相的相界表示的!如图$所示"#准同型相界成分合金呈现两相共存的状态#磁晶各向异性达到完全补偿的最小值#测量结果显示磁滞后最小#而磁致伸缩性能较邻近成分的合金有一跃升#铁磁性材料中准同型相界的发现为设计新型磁致伸缩材料提供了新思路%图$!)M/3Z ]T /3合金相图及不同相区的同步辐射i +][B D 5$!b EG Q LRB G D 7G K 3O )M/3%Z ]T /3%!G"G CR Q T CN E73P 73C i +]6G P P L 7CQ 3O N FMB N6G 7G K G D CL P B N6EG Q L #7E3K M3EL R7G 4O L 773Z K G D CL P B N 6EG Q L G CR P L P 7G D 3CG 4O L 773K G D CL P B N 6EG Q L !M ")M]T [L 合金磁致伸缩的饱和值及其磁滞特性均具有明显的压应力相关性#如图?所示%对于)M]T [L 巨磁致伸缩合金中的初始磁畴位置普遍认为是仅仅在晶面内沿着易轴方向与压应力方向垂直#这难以解释饱和磁致伸缩随压应力而增大的现象%近期研究表明(##&)取向的)M]T [L 晶体垂直于应力方向的晶面中存在的应力性各向异性#会改变初始畴的构型("?)%随着压力的增大#!##&"晶面内初始磁畴从c ###d 方向转向c ##&d 方向#因而饱和磁致伸缩提高%(##&)取向的)M]T [L 取向晶体#其磁滞!磁致伸缩滞后磁场"从&'b G 的""a !#&"h $#"(*K 8#增加到"&'b G 的9&a !#&"h $#"(*K 8##而加压到#%&'b G 磁滞只有#<a !#&"h $#"(*K 8#%基于唯象理论的研究表明#磁畴旋转的不可逆性是产生滞后的根源%在低压应力范围内#随压应力增大#更多的磁畴转至应力垂直面#成为:&j 磁畴#而在磁晶各向异性能占主导的低压力阶段磁化过程中:&j 磁畴不可逆转至外场方向#压力增大#:&j 磁畴体积分数增多#因而磁致伸缩滞后增大%当所有磁畴在压应力作用下转至应力垂直面#:&j 磁畴体积分数达到#&&e #磁致伸缩滞后达到最大#继续增大压应力#磁弹性能在自由能分布中占主导地位#减小并最终消除了:&j 磁畴旋转的不可逆性#因而磁致伸缩滞后随压力继续增大而逐渐减小("<)%"5,!稀土巨磁致伸缩材料的制备技术%5$5#!稀土巨磁致伸缩材料取向晶体和单晶用定向凝固工艺#主要有提拉法$坩埚下降法和区熔法#制备出稀土巨磁致伸缩材料取向晶体或单晶是实现其优异磁致伸缩特性的关键%中科院物理所采用冷坩埚提拉法成功制备出)M]T Z [L (4#)M]T [L 'C c ###d 无孪晶单晶体("98"=)#从消除了孪晶界对磁畴钉扎作用的角度提高了合金的磁致伸缩%北京科技大学利用低温度$梯度水平炉#获得了c ##"d 轴向取向的稀土超磁致伸缩材料(":)%钢铁研究总院和有色金属研究总院采用一步法制备工艺#将熔炼$坩埚下降法晶体生长$热处理集成到一套系统中#实现了材料的量产%北京航空航天大学采用无坩埚的悬浮区熔法成功制备了c ##&d 取向)M]T 03[L 单晶体(%")#生长的固液界面为凸平面#该晶体具有优异的磁致伸缩性能#在8<&g 和#?g #外加磁场仅为?&K )时#该单晶体的磁致伸缩性能分别达到##&&a #&8<和#&?$a #&8<%使用有坩埚的定向凝固#可以避免表面张力的影响#有利于制备沿轴向性能均匀的大尺寸)M]T [L 合金取向晶体%北京科技大学和北京航空航天大学利用区熔法制备出c ##&d )M]T [L 取向晶体#北京航空航天大学制备出直径超过<&K K 的c##&d 和c##%d 取向)M #]T #8#![L #8"&""%!&_'C #/3"晶体%取向晶凝固形态为树枝状#生长速度越高#片层结构越窄%在预压力低于#&'b G 时#低磁场中室温和低温的c ##%d 取向磁致伸缩系数更大#高温时c ##&d 取向磁致伸缩系数更大($&8$")%磁场下的取向凝固#国外报道了在微重力条件下同时施加外磁场制备出c ###d 取向的)M]T [L 晶体#磁致伸缩系数可达%%&&a #&8<!'_#5?)"($$)%磁场也可以"中国材料进展第"#卷有效抑制热和溶质的传输 充分发挥扩散作用 同时在冷却过程中在材料内部感生磁有序 上海交通大学在常规重力条件下 通过施加更大的静磁场 #$&K) 获得9&e的c###d取向的)M]T[L凝固组织 $?图?!不同压应力下)M]T[L合金磁致伸缩和磁致伸缩滞后模拟[B D5?!)EL Q B K F4G P L R Q G P F7G P B3C K G D CL P3Q P7B N P B3C G CR K G D CL P3Q P7B N P B3C ET Q P L7L Q B Q FCRL7RB O O L7L CP N3K67L Q Q B S L67L Z Q P7L Q Q L Q%5$5%!稀土巨磁致伸缩薄膜材料稀土巨磁致伸缩材料薄膜具有良好的软磁特性 尤其在低场下磁致伸缩性能显著提高 是微型作动器和传感器的理想材料 制备稀土巨磁致伸缩材料薄膜的方法有磁控溅射 分子束外延 离子束溅射 离子镀等 人们通常采用磁控溅射法制备巨磁致伸缩材料薄膜 巨磁致伸缩材料薄膜分为单层膜和多层膜 采用直流磁控溅射可以获得非晶态)M]T[L薄膜 经$&&g热处理后沿薄膜表面的易磁化方向表现出磁各向异性 $<8$9 在沉积过程中加入预应力能明显提高磁各向异性为进一步提高巨磁致伸缩材料的软磁特性和低场特性 发展了巨磁致伸缩材料多层膜 多层膜一般是由巨磁致伸缩材料与其它软磁材料 如[L [L1B [L;[L/3等 交替沉积而成 每层薄膜的厚度小于磁交换长度 在磁场作用下 由于不同膜层之间的交换耦合作用 提高了平均饱和磁化强度 使多层膜的饱和磁场大幅减小 具有良好的软磁特性 $=%5$5"!烧结稀土巨磁致伸缩材料其制备方法是将一定成分的母合金破碎成粉末 在模具中压制成型 然后在保护气氛下烧结制成样品 北京科技大学从:&年代初开展了)M]T[L合金粉末冶金工艺及其对磁致伸缩性能影响的研究 主要结果包括各工艺参数对烧结态)M]T[L合金的组织 结构 密度及磁致伸缩性能的影响规律等 $:8?& 实验表明 粉末压型时的磁场取向和后续样品的磁场热处理对提高材料磁致伸缩性能具有非常重要的作用 通过这些手段制得的烧结)M]T[L合金样品为c###d取向的多晶体 其最大磁致伸缩应变可达#$&&a#&8< 样品具有明显的压力效应%5$5$!稀土巨磁致伸缩粘结复合材料针对稀土巨磁致伸缩材料力学性能差 不易加工以及在外加高频交变磁场作用下涡流损耗严重的问题 人们发展了巨磁致伸缩颗粒与树脂混合的复合材料研究表明 颗粒大小 磁场取向以及树脂粘度均对复合材料的磁致伸缩性能有重要影响 采用较大的)L7ZO L C34Z]颗粒和较低的树脂粘度有望获得较高磁致伸缩性能 在磁场下成型可以提高颗粒的择优取向度 进而提高复合材料的磁致伸缩性能 此外 固化温度对粉末$!第$期刘敬华等'巨磁致伸缩材料及应用研究进展粘结材料的密度及抗压强度有明显影响(?#)%将)M #8"]T "[L %合金粉末与粘结剂在模压压力为##%'b G 下制成 #&K Ka %&K K 或 #&K Ka $&K K 的棒状样品%研究表明#当"_&59时#合金具有较好的磁致伸缩性能%棒状)M &5"]T &59[L %合金在0_%&&^(h K #%:"\条件下的磁致伸缩约为<&&a #&8<#磁机械耦合系数最大值为&5$#动态磁致伸缩系数为%5<:CKh (#增量磁导率(""为%5=$(?%)%在%&&^(h K 静磁场下加压=&&'b G 获得了.K ]T [L h 树脂粘结复合材料#其磁化行为和磁致伸缩均表现出明显的压应力效应(?")%用颗粒尺寸9$`#?&!K #质量分数为:&e 的)M]T [L 合金颗粒制备出的复合材料在$&&^(h K 磁场下磁致伸缩性能可达9%"a #&8<(?$)%与)M]T [L 取向晶体相比#复合材料的电阻率提高了?个数量级#在"%59K )偏置磁场下声速降低#h "以上#涡流损耗因子在%a #&?0X 条件下的降幅超过:&e #在#a #&90X 的高频条件下仍可降低近?&e %采用直径为%&&`"&&!K 的)M]T Z [L 单晶颗粒#与树脂混合并在磁场取向中固化#获得了颗粒c ###d 方向定向排布的高性能粉末粘结巨磁致伸缩材料%合金颗粒在树脂中成近链状排列#如图<所示%材料在#9'b G 压力下在磁致伸缩系数达到#"<&a #&8<(??)%图<!!G "未磁场取向和!M "=&&&a !#&"h $#"(*K 8#磁场下取向的金相照片[B D 5<!)7G CQ S L 7Q L Q L N P B 3C K B N 73D 7G 6EQ 3O P EL N 3K 63Q B P L Q N F7L R G PP EL G 664B L R K G D CL P B N O B L 4R !G "&a !#&"h $#"(*K 8#G CR !M "=&&&a !#&"h $#"(*K 8#%5$5?!稀土巨磁致伸缩材料的表面改性北京有色金属研究总院采用辉光放电离子渗氮方法研究了表面氮化对!)M #]T "[L %稀土磁致伸缩材料的耐腐性能$表面机械性能及磁致伸缩性能的影响(?<)%结果发现'通过表面离子渗氮处理#可显著改善材料耐腐性能#材料表面硬度由?=9&'b G 提高到<%%&'b G #耐磨性能也大幅提高#并且材料磁致伸缩性能几乎未受影响%研究表明#表面离子渗氮是一种适用于稀土超磁致伸缩材料表面改性的方法%+!非稀土巨磁致伸缩材料近年来#科技工作者们开发出一种综合传统磁致伸缩合金和稀土磁致伸缩合金二者优点的新型磁致伸缩材料#既具有良好的力学性能又有较大的磁致伸缩性能%%&&&年#美国学者/4G 7^博士发现非磁性原子I G 的添加可以将[L 的磁致伸缩系数提高#&倍以上#引起了人们极大的关注%该材料具有低饱和磁场$高磁化强度$良好的力学性能和可加工性等#最近的应力退火研究表明#该材料可以同时应用在拉应力和压应力场合%[L I G 合金的这些特性将会拓展磁致伸缩材料在作动$传感和能量采集等方面的应用%i B CD 等人在对[L I G 合金成分及热处理过程对磁致伸缩性能的影响进行了规律性研究后#确定了磁致伸缩性能同I G 原子含量的关系曲线如图9所示(?9)#并按照合金相结构划分为$个部分'#区中的[L I G 合金在淬火条件下为无序的(%单相#磁致伸缩随I G 原子含量增加而升高#淬火态#:e !原子分数"I G 的!"h %" #&&可达到$&&a #&8<&$区为(%同]&"的两相混合区#该区域中磁致伸缩随I G 含量升高而下降&进入%区后#合金形成]&"单相#性能再次提高#当I G 原子含量为%95?e 时#由于弹模软化的结果#可以获得很高的磁致伸缩&而当I G 原子含量超过%=e 后!&区"出现不利于磁致伸缩性能的第二相#导致性能随之大幅下降%JF 采用全电势线性缀加平面波方法对[L I G 合金的磁性及磁致伸缩进行了第一原理计算#]&"#;%Z 4B ^L 及-#%"种晶体结构的磁致伸缩系数 #&&的计算值分别为8#&9a #&8<#f "=&a #&8<和8%:=a #&8<(?=)%对于[L Z I G 合金产生大磁致伸缩的原因#JF 在文章中指出#这是由[L 原子非简并的R ")和R #)轨道下自旋间的自旋轨道耦合效应所引起的#但两者的强烈作用是如何导致[L Z I G 合金产生大磁致伸缩仍未清楚%-3D 7G Q Q 3等人根据I G 原子添加后引起的[L I G 合金磁致伸缩性能较 Z [L 提高的部分#同I G 原子含量的平方成线性正比关系这一实验结论#预测在[L I G 合金中存在'3RB O B L RZ ]&"晶体结构#或可以称之为;%Z 4B ^L 结构(?:)%JFP P B D (<&)和/F44L C (<#)认为这种结构的本质是沿?中国材料进展第"#卷&&# 方向排列的I G Z I G 原子对 [L =#I G #:合金i 射线吸收光谱的测试结果证明I G Z I G 原子对存在的可能性 <% 'FRB S G 7P EB <"使用小角度中子衍射方法和\L 77显微镜发现纳米团簇与基体有不同的磁化行为图9![L I G 合金 "h % #&&同IG 原子含量的关系[B D 59! "h % #&&RL6L CRL CN L 3C I G N 3CP L CP O 37[L I G G 443T Q Y./ Q 43V Z N 334B CD Jk +)Z V G P L 7lFL CN E ,Jk B N L Z V G P L 7lFL CN E 'k K L P G 44B N lFL CN E;EG P P G N EG 7T T G 等人对[L Z #:eI G 合金进行了透射电镜观察 在(%基体相中发现弥散分布的纳米级]&"相 <$ 并认为这是[L I G 合金大磁致伸缩的来源 据此\EG N EG P F7T G C <? 等人提出了另一种模型解释[L I G 合金的巨磁致伸缩 认为]&%%Z4B ^L 的四方纳米团簇是关键因素 <<8<9 ;3B Q Q L <= 等人依据该模型对[L =#I G #:合金进行了原子尺度有序和团簇的模拟 同实验得到的高分辨像基本吻合然而JF 等人根据分别对纳米级的;%Z 4B ^L 及]&"相进行第一原理计算结果 认为纳米级的;%Z 4B ^L 相具有负的磁致伸缩性能 而纳米级的]&"相仅具有非常小的正磁致伸缩性能 据此他判断基体相中的纳米级沉淀不足以产生巨磁致伸缩效应 [L I G 合金的大磁致伸缩另有起源 <:虽然关于[L I G 合金的磁致伸缩的起源还不明朗 但人们相信[L I G 合金的磁致伸缩机理研究对开发新型磁致伸缩材料将会提供新的线索国内从%&&%年陆续报道了关于新型非稀土磁致伸缩材料的研究工作 取得了重要进展 以下主要评述国内非稀土磁致伸缩材料研究结果 +5!!'(-.磁致伸缩材料的合金化研究对[L I G 进行合金化的研究 根据添加元素类别及方式 可以分为%类 ;和/7原子固溶 过渡族元素取代方式添加 9&89$[L &5=#I G &5#: #&&8";"合金在"_#时由(%相和[L %;相组成 在"_?`%&时 由(%相 -#%相和[L %;相组成 铸态 [L &5=#I G &5#: #&&8";"合金在"_#和"_#&时具有最大磁致伸缩性能 9& 淬火态合金的磁致伸缩随;含量增加先增大后减小 其中"_#&时淬火态 [L &5=#Z I G &5#: :&;#&合金的磁致伸缩性能比[L =#I G #:合金提高了=&e 分析认为;含量低时 析出[L %;相 导致[L Z I G 合金基体中'Z ]&"相中I G 含量上升 磁致伸缩提高 ;含量高时 合金出现了过多的[L %;相和-#%相 磁致伸缩下降 同时;添加 还大幅提高了[L I G 合金的室温力学性能 抗拉强度达到?$='b G 延伸率达到"5?<e 此外 如果在[L ="I G #9合金中固溶%e 的/7原子 可同时提高合金的磁致伸缩性能和室温力学性能 [L ="I G #9:=/7%合金最大磁致伸缩系数达到9&a#&8< 延伸率较[L ="I G #9合金提高&5<e 9# 少量.B I L 或.C 取代[L =#I G #:合金中的I G 原子 合金保持(%相结构 饱和磁致伸缩值变化不大 如果添加量继续增加 因出现大量[L .C I G 非磁性相 导致饱和磁致伸缩值降低 9% 在[L =#I G #:和[L =# I G #8"I L " #:合金中还发现了明显的体磁致伸缩现象 当磁场小于&5")时 合金发生的是线磁致伸缩 大于&5")时 体磁致伸缩开始发生 9" 'C 添加对[L =#I G #:合金的电阻影响较大 'C 元素的原子百分比低于<e 时 合金仍然保持立方单相 电阻率上升 居里温度下降 当'C 含量增加到=e 时 磁致伸缩出现峰值 9$ +5"!'(-.合金的磁致伸缩特性研究[L I G 合金有良好的力学性能 可进行拉伸变形 通过拉应力退火处理可以使[L ="I G #9合金中的磁晶在生长方向择优排列 [L I G 棒c &&#d 择优生长方向的磁晶各向异性和织构中多晶条形颗粒的形状各向异性方向一致 在无外应力条件下磁致伸缩达到%&&a #&8< 在压应力下 磁致伸缩值最大变化达到#=&a #&8< 9? 如图=所示[L =#I G #:合金c &&#d 取向晶体在大载荷 &`$"#'b G 条件下具有稳定的饱和磁致伸缩 如图:所示 其磁致伸缩行为随压应力呈两阶段变化规律 9< [L =#I G #:合金c &&#d 取向晶体在不同载荷下的%个阶段磁致伸缩行为具有完全不同的物理机制 在低压应力载荷下 磁晶各向异性能主导[L I G 合金c &&#d 取向晶体的磁致伸缩行为 在大压应力载荷下 磁弹性能对[L I G 合金的磁致伸缩行为起主导作用 +5+!/0基反铁磁磁致伸缩合金'CZ * *_1B /F [L 合金是一类具有反铁磁特性的磁致伸缩材料 998=& 'C $%[L ?=合金 在#)的外磁场和#5?%'b G 的压应力下具有8?=#a #&8<的磁场诱发应变 'C =?5?[L :5?/F ?5&合金中获得了8$="a #&8< `#&a <!第$期刘敬华等'巨磁致伸缩材料及应用研究进展图=
超磁致伸缩材料及其应用李 梅,吕银芳,陈 平,李湄静,荆小平,张会峰(陕西金山电气集团有限公司 陕西咸阳 712021)摘 要:介绍了超磁致伸缩材料具有高磁致伸缩应变 ,能量转换效率高、工作频带宽、频率特性好;稳定性好、可靠性高,其磁致伸缩性能不随时间而变化,无过热失效等特点;开发出的T b x Dy (1-x )Fe y 合金,在较低的外磁场下就能达到超磁致伸缩效果,并对T bFe 2,Dy Fe 2,T b 0.3Dy 0.7Fe 2(T erfenol D )做了特性对比;超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面广阔的应用前景,超磁致伸缩材料的应用及研究对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。
关键词:超磁致伸缩;磁致伸缩;特性;外磁场中图分类号:T P 211+.53 文献标识码:B 文章编号:1004373X (2005)1811402Giant Magnetostrictive Material and Its ApplicationL I M ei ,L V Y infang ,CHEN Ping ,L I M eijing ,JIN G Xia oping ,ZHA NG Huifeng(Shaa nx i Ji nshan Electric Cro up Co .Ltd .,Xi a ny ang ,712021,China )Abstract :U ltr a m agneto st rict ive mater ial is discussed in this thesis.It possesses high ,hig h energ y ex cha ng e efficiency ,w idew or king frequency r ange ,etc .it ′s not chang ed by time of mag neto str ictio n T b x D y (1x )Fe y allo y has ult ra mag netostr iction effect at lo w mag net ic field.Character istics o f T bF e 2,D yF e 2,T b 0.3Dy 0.7F e 2(T erfenol D )ar e also be co mpar ed in this art icle.T he ultramagne-tostr iction has widely applicatio n in acoustic f requency and ultr asonic,it plays an impo rtant r ole in sonar ,ocean development and detec-tio n t echno lo gy.Keywords :ultr a m agneto st riction ;m agneto est riction ;char acterist ic ;o ut side ma gnetic field收稿日期:20050628 磁致伸缩现象早在19世纪中叶就被发现,利用镍、坡莫合金、铁氧体等磁性材料的磁致伸缩效应制作的音响变换振子(超声波发生器)等器件,也早有实际应用,但由于其磁致伸缩量小,大致为10-5,从而被以PZT (代表性的压电材料,由Pb (Zr ,T i )O 3构成的陶瓷材料)为代表的压电材料占据主导地位。
超磁致伸缩材料的特性及其发展应用
图1 磁体磁畴在外磁场作用下发生转动引起磁体尺寸发生变化示意图Fig.1 The magnetic domain under the effect of external magnetic fieldoccurrence of rotation and lead to change size magnets超磁致伸缩材料的特性及其发展应用摘要：本文介绍了超磁致伸缩材料独特的性能及其发展历程。
通过查阅大量的资料，阐述了超磁致伸缩材料在各个领域的应用及研究现状，并且对其今后的应用做了一些展望。
关键词：超磁致伸缩材料；特性；应用引言随着科学技术的发展，稀土功能材料在科学领域中的研究和应用愈发重要和广泛，特别是在国防领域中，因而稀土材料成为了各个国家的战略性资源。
我国近几年更是大力发展各种新型的稀土功能材料，这其中就包括了新型的稀土超磁致伸缩材料。
稀土超磁致伸缩材料的应用非常广泛，对发展有源减震、航天燃料喷射系统、快速阀门控制、纳米级致动器、新型声纳系统、机器人等高新技术有着重要的影响]1[。
1 超磁致伸缩材料1.1 产生磁致伸缩效应的机理在居里点温度以下时，铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积会发生微小的变化，这种现象称之为磁致伸缩效应，长度的变化是1842年由焦耳发现，亦统称为焦耳效应或者线性磁致伸缩]2[。
由于体积磁致伸缩量非常小，研究和应用都主要是线性磁致伸缩领域，所以一般的磁致伸缩也就是指线性的磁致伸缩。
产生磁致伸缩的机制是多方面的，有自发形变、场致形变、轨道耦合和自旋—轨道耦合相叠加、形状效应等原因，以下仅从场致形变的理论简单说明：在外磁场的作用下，多畴磁体的磁畴要发生畴壁移动和磁畴转动，结果导致磁体尺寸发生变化。
当磁场比饱和磁场s H 小时，样品的形变主要是长度的改变，体积几乎不变；当磁场大于饱和磁场s H 时，样品主要表现为体积磁致伸缩。
磁体磁畴在外磁场作用下发生转动引起磁体尺寸发生变化的示意图如图1所示]1[。
磁致伸缩材料在超材料领域中的应用研究
磁致伸缩材料在超材料领域中的应用研究磁致伸缩材料是一种具有特殊性能的新型材料，其在物理学、工程学和材料学等领域具有广泛的应用。
超材料是一类具有特殊结构和性能的人造材料，可用于制造超级透镜、隐身材料和超高速传输等高科技应用。
磁致伸缩材料在超材料领域中的应用研究是一个新兴的领域，其研究成果可能会给现代科技带来重大的突破。
一、磁致伸缩材料的特性磁致伸缩材料是一种能随着外界磁场变化而发生长度变化的材料。
基于磁致伸缩效应的工作原理，磁致伸缩材料可以用于制造自适应结构、传感器、执行器等器件。
目前，磁致伸缩材料已被广泛应用于机器人、航空航天和医疗设备等领域。
二、超材料的应用超材料因其特殊的结构和性能而被广泛应用于许多领域，如通信技术、医学成像和光学器件。
通过设计不同的超材料结构和参数，可以制造具有特定功能的材料。
例如，超级透镜可以将光线聚焦到微小的点上，从而实现高分辨率成像。
此外，超材料还可以用于制造隐身材料和超高速传输器件等应用。
三、磁致伸缩材料在超材料中的应用磁致伸缩材料在超材料中的应用是一个具有巨大潜力的新领域。
磁致伸缩材料可以在外界磁场的作用下发生长度变化，根据其长度变化的特性，可以设计出各种各样的超材料结构。
例如，通过将多个磁致伸缩材料组成一种可调谐介质，可以制造出具有可调谐电磁波传输和反射特性的超材料。
此外，磁致伸缩材料还可以用于制造具有变曲率表面的超材料结构。
这种变曲率表面可以实现光束的弯曲，从而实现超级透镜的功能。
与传统的透镜相比，超级透镜具有更高的分辨率和更大的视场角，可以应用于高分辨率成像和光纤通信等领域。
四、磁致伸缩材料在超材料应用中存在的问题磁致伸缩材料在超材料应用中存在着一些问题。
首先，磁致伸缩材料的性能受到环境因素的影响，如温度、湿度和磁场等。
这些因素的变化会导致磁致伸缩材料的性能发生变化，降低超材料的稳定性和可靠性。
其次，磁致伸缩材料制备工艺复杂，成本较高。
这也限制了其在超材料应用中的推广和使用。
超磁致伸缩材料
重庆科技学院磁性材料课程论文论文题目：稀土超磁致伸缩材料的制备和应用指导老师：马毅龙姓名：汪永红学号：2009440547年级：金属材料工程09级2班成绩：评语：2012 年6月10 日稀土超磁致伸缩材料的制备和应用汪永红（重庆科技学院冶金与材料工程学院，重庆401331）Fabrication and application of Rare Earth GiantMagneto-Stricfive MaterialsWang Yong-hong(School of Metallurgy and Materials Engineering of Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China)摘要：稀土超磁致伸缩材料（Rare Earth Giant Magneto-Stricfive Materials)作为2l世纪一种最具有战略性的材料，其优良的特性和广泛的应用前景在国际范围内得到普遍重视，已成为磁致伸缩材料研究的重点。
简要介绍了稀土超磁致伸缩材料的概念、制备方法及其应用，并指出了一些研究反方向。
关键词：稀土超磁致伸缩材料，制备，应用Abstract：As a new strategic material in 21st century，RE-GMSM has been taken into account and become the keystone on magneto-strictive material studies because of i t s superior properties and extensive application prospects. A brief description of the conception，fabrication and applications of RE—GMSM was presented．Some suggestions for the development directions were also mentioned．Key Words：rare earth giant magneto-strictive materials；fabrication；application1 前言稀土超磁致伸缩材料（RE—GMM）主要是指稀土一铁系金属间化合物材料：铽镝铁(Tb-Dy-Fe) 磁致伸缩材料。
超磁致伸缩材料振动器[实用新型专利]
![超磁致伸缩材料振动器[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/55d216d65727a5e9846a6182.png)
专利名称：超磁致伸缩材料振动器
专利类型：实用新型专利
发明人：冒鹏飞,喻曹丰,魏本柱,马丁,钟长鸣申请号：CN201620653270.7
申请日：20160624
公开号：CN205725516U
公开日：
20161123
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了超磁致伸缩材料振动器，包括中心套筒、驱动线圈、上配重块、上超磁致伸缩薄膜、基片、下超磁致伸缩薄膜、下配重块、偏置线圈和电源，其特征在于：所述的基片上端、下端分别粘贴有上超磁致伸缩薄膜、下超磁致伸缩薄膜，上超磁致伸缩薄膜上端粘贴有上配重块，驱动线圈位于上配重块的上端，下超磁致伸缩薄膜下端粘贴有下配重块，偏置线圈位于下配重块的下端，中心套筒从上往下依次穿过驱动线圈、上配重块、上超磁致伸缩薄膜、基片、下超磁致伸缩薄膜、下配重块和偏置线圈，中心套筒与驱动线圈、基片、偏置线圈均为固定连接。
本实用新型采用稀土超磁致伸缩材料为振动元件，具有振幅大、响应快、结构简单、实用性强的特点。
申请人：安徽理工大学
地址：232001 安徽省淮南市舜耕中路168号
国籍：CN
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超磁致伸缩材料振动发生器[实用新型专利]
![超磁致伸缩材料振动发生器[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/9b5928d75727a5e9856a61f8.png)
专利名称：超磁致伸缩材料振动发生器专利类型：实用新型专利
发明人：董玉环,高学绪
申请号：CN02289453.5
申请日：20021205
公开号：CN2587531Y
公开日：
20031126
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种超磁致伸缩材料振动发生器，包括同步信号传感器1、弹簧座2、弹簧3、振子4、超磁致伸缩棒8、线圈7、轭铁5和基座9。
弹簧座2和基座9固连，并构成一中空体。
弹簧座2上装有同步信号传感器1。
中空体中，弹簧座2与振子4之间装有弹簧3，振子4与基座9之间的中心部位装有超磁致伸缩棒8，超磁致伸缩棒8周围装有骨架6和线圈7，线圈7外侧包有轭铁5。
线圈引出接线12由线圈7一端引出与接线插座10相连。
本实用新型驱动简单，转换效率高，体积小，重量轻，共振频率可调整，全封闭结构，可工作于地面、水下等恶劣环境，线圈引出线由线圈的一端通过机座引出，不易断裂。
申请人：董玉环
地址：100083 北京市海淀区学院路20号910信箱机械所郑立臣转
国籍：CN
代理机构：北京三高永信知识产权代理有限责任公司
代理人：何文彬
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科技信息1.超磁致伸缩材料的特点与应用1.1超磁致伸缩材料的特点磁致伸缩材料主要有三大类：磁致伸缩的金属与合金、铁氧体磁致伸缩材料和稀土金属间化合物磁致伸缩材料。
前两种称为传统磁致伸缩材料，其磁致伸缩应变过小，没有推广应用价值。
而稀土金属间化合物磁致伸缩材料也称为稀土超磁致伸缩材料。
与其他智能材料相比，稀土超磁致伸缩材料具有以下特点：应力负载大（可达700MPa）、能量转换率高（机电耦合系数可达0.75）、温度适应范围宽（小于200℃）、响应快（微秒级）、驱动电压低（小于30V）等。
另外具有频率特性好，工作频带宽；稳定性好，无疲劳，无过热失效等优点。
因此有专家认为，稀土超磁致伸缩材料可广泛应用到机械、电子、航天、农业等其他领域,是21世纪的战略材料。
1.2超磁致伸缩材料的应用分析迄今已有1000多种超磁致伸缩材料器件问世，应用面涉及航空航天、国防军工、电子、机械、石油、纺织、农业等诸多领域，大大促进了相关产业的技术进步。
超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景，国外已用超磁致伸缩材料来制造出超大功率的超声波换能器。
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和海洋气候声学温度测量系统的水声发射换能器，可用于测量海水温度和海流的分布图。
德国材料研究所已将超磁致伸缩薄膜材料应用于微型泵的研究之中。
随科技发展的日新月异，超磁致伸缩材料的重要性必将越来越突出，应用也将更广泛。
预计未来超磁致伸缩材料的应用领域包括航空航天、超精密机械加工、海洋工程、汽车制造、石油产业等。
1.3超磁致伸缩材料在我国的研究与应用在国内，北京钢铁研究总院于1991年率先制备出GMM棒材，此后又开展了低频水声换能器、光纤电流检测、大功率超声焊接换能器等的研究。
北京科技大学采用具有自主知识产权的一步法工艺和设备生产稀土超磁致伸缩材料,减少了过程污染,杂质和氧含量低,合金成分控制准确,提高了材料的性能和产品的一致性；同时易于实现自动化控制,生产效率比传统工艺提高了100-150倍,成本大大降低。
稀土冶金及功能材料国家工程研究中心研究的材料水平已接近国际先进水平并可小批量生产,另外还开发了廉价Terfenol-D生产亦达到实用水平。
研究开发的大功率换能器及电磁阀取得初步结果。
北京工商大学把超磁致伸缩材料用于电机技术，研制了超磁致伸缩谐波电机。
刘福贵等对超磁致伸缩力传感器进行了研究，建立了磁致伸缩力传感器输入输出关系的磁-机械强耦合模型,测试了超磁致伸缩棒材的磁致伸缩逆效应特性,设计了超磁致伸缩力传感器的结构,研制并制作了超磁致伸缩压力传感器的实验测试装置,对超磁致伸缩力传感器的输入-输出特性进行了实验研究。
李国平等为减少车削过程中车刀产生的振动对工件加工精度的影响,开发了一种车削振动控制系统。
研究了超磁致伸缩执行器(GMA)和专用刀架的工作原理,并分别建立了它们的传递函数模型。
根据人工免疫原理,设计了一种免疫PID控制器,并在数控(CNC)车床上进行了现场实验测试,结果证明该系统能很好地抑制车削加工时产生的振动干扰。
李小鹏等针对汽车减震问题展开研究，综合考虑了汽车车身的固有振动特性，提出并设计了基于超磁致原理的汽车用磁控悬架方案,突破了以往汽车减振的工作模式,将超磁致伸缩材料同汽车工程有机结合起来。
2.国外超磁致伸缩作动器的发展2.1超磁致伸缩直线作动器的研究近几十年来超磁致伸缩作动器的研制与开发引起了国际上的极大关注。
上世纪末，德国柏林大学Kiese Wetter教授利用超磁致伸缩材料棒制作了一种尺蠖式作动器，这是世界上第一台超磁致伸缩驱动器，已在造纸工业中进行商业化应用。
该驱动器定子采用管状非磁性材料，当移动线圈通入电流且未知发生变化时，超磁致伸缩棒运动部分分别在纵向和径向上产生磁致伸缩变化，像虫子一样蠕动前进。
它的最大驱动力可达到1000N，速度可达0.2m/s。
Musoke等利用尺蠖原理和多相激励设计了一种大推力的直线电机，推力可达17N。
图1是Clark.A.E设计的尺蠖型直线电机。
该电机的驱动机构两端各自装有一个闸片，当施加交变磁场时，电机的单步小位移将不断累加成为长行程的线性运动。
图1Clark提出的直线电机2009年，Kim Won-jong等人发表了一种振动型超磁致伸缩直线电机，见图2。
图2Kim Won-jong提出的超磁致伸缩直线电机其主要性能参数：最大输出力410N，有效行程45mm。
利用线圈（coils）产生磁场，该磁场为通过活动元件（active element）的运动磁场（magnetic field），当在定子（stator）与活动元件之间施加适当的预压力时，活动元件将做直线运动，运动的方向与磁场运动方向相反。
该电机功率90W时，可产生410N推力，行程达45mm。
2.2超磁致伸缩旋转作动器的研究1991年，美国的Vranish采用超磁致伸缩材料,利用Kiesewetter电机的原理开发出了转动式的步进马达。
它的扭矩输出达12.2N·m，精度高达800μrad。
匹兹堡州立大学研究了一种新型超磁致伸缩旋转电机，该电机利用两个超磁致驱动器在两个相位差90°的正弦信号激励下能在定子中产生转动，再利用摩擦力带动转子运动，电机结构图如图1所示。
图3匹兹堡州立大学磁致伸缩旋转电机2.3超磁致伸缩阀的研究S.Karunanidhi等把超磁致作动器与放大机构结合起来用于高动伺服阀,实验研究发现该阀的响应快于传统伺服阀。
图4具有机械放大结构的超磁致伸缩作动器3.超磁致伸缩作动器在国内的发展3.1超磁致伸缩微位移作动器贾振元等建立了执行器的微位移传递机构、磁路、驱动线圈及其冷却等几个关键部分的数学模型,并提出其设计理论和方法，同时研制了超磁致伸缩微位移执行器样机。
浦军等基于超磁致伸缩材料的磁致伸缩特性设计了一种用于微位移驱动的致动器，分析了致动器工作磁场的组成,计算了线圈的工作电流,并以此为依据设计了稳流电源。
张磊等设计了一种微位移作动器，该作动器基本上工作在线性区域内，其位移伸缩量大，低频动态性能较好，高频谐波分量影响国内外超磁致伸缩材料及作动器的研究盐城工学院詹月林陈西府［摘要］超磁致伸缩作动器具有推力强、反应快和分辨率高等特点,在精密定位、精密驱动、机器人、微型阀等领域展现了广阔的应用前景。
本文在介绍超磁致伸缩材料及其应用的基础上，分析了国内外超磁致伸缩作动器的研究动态、应用状况等，并对几类超磁致伸缩作动器的原理、结构进行了阐述。
最后提出了超磁致伸缩作动器的四个研究方向。
［关键词］超磁致伸缩材料作动器电机执行器（下转第164页）——163科技信息较小，相位延迟较小。
马志新等在分析GMM 工作特性的基础上，研制了超磁致伸缩微位移驱动器，通过建立测控系统进行实验获得了驱动器相关的性能参数。
实验结果表明所研制的驱动器满足实现微位移高精度控制的基本性能要求。
3.2超磁致伸缩直线作动器清华大学的李翠红等利用超磁致伸缩微驱动器设计了一种蠕动机构。
以超磁致伸缩微驱动器为驱动元件、嵌入柔性铰链中的压电陶瓷驱动器与V 形导轨配合为箝位方式,该机构能够稳定地蠕动步进和后退,位移重复定位精度可以达到±15nm 。
王社良等对GMM 作动器进行了磁路设计，并进行了有无套筒时超磁致伸缩作动器输出力对比试验，对GMM 作动器进行了预压力装置设计及温控装置设计，保证了超磁致伸缩作动器良好的输出性能。
该作动器在较低的电流下可以输出较大的力，磁机转化效率很高，且输出力—驱动电流增益基本呈线性关系，具有良好的驱动性能。
3.3超磁致伸缩作动器的理论研究为提高超磁致伸缩作动器的性能，我国许多研究人员对超磁致伸缩作动器的动力学模型、非线性等问题进行了理论研究。
其中曾海泉等为研究超磁致伸缩作动器的混沌和拟周期运动等不稳定行为，建立了非线性动态力学模型，用数值方法得到了反映系统非线性响应特性的分岔图、相图、Poincar é截面图、幅值谱等。
大连理工大学将Ter-fenol-D 棒作为粘弹性杆连续系统,将Terfenol-D 棒在磁场驱动下产生的应变等效为磁-机械转换等效力,建立了执行器系统的一维波动方程,并采用有限元解法求解,建立了磁致伸缩执行器动力学模型。
3.4超磁致伸缩作动器的控制研究为了提高驱动器执行效率和定位精度，学者提出了各种控制方法，主要有模糊PID 控制、自适应PID 控制、P-模糊PID 控制、BP 神经网络等。
孙英采用神经网络方法辨识驱动器的磁滞模型，然后配合PID 控制器建立闭环位移控制系统，该方法可以在较短时间内适应超磁致伸缩驱动器磁滞非线性参考输入的变化，实现超磁致伸缩驱动器的位移控制。
赵章荣等采用一种神经网络前馈复合离散滑模变结构控制策略，实现GMM 智能构件的精密位移控制，此控制策略能消除迟滞非线性的影响,控制误差降低到1.5%以内，可实现智能构件的精密位移控制。
4.总结近二十年来，超磁致伸缩作动器的研究取得了飞跃发展。
但还存在一些不足，需要在以下方面重点开展工作：（1）超磁致伸缩材料的制备工艺及产业化；（2）提高超磁致伸缩执行器的控制精度,实现亚微米级的驱动与控制；（3）对超磁致伸缩作动器的动力学特性展开研究；（4）开发微型化、智能化的超磁致伸缩作动器。
参考文献［1］窦光宇.超磁致伸缩材料.金属世界，2006,（6）：47.［2］李扩社，徐静，张深根.稀土超磁致伸缩材料进展.金属功能材料，2003，10（6）：30-33.［3］Quant E,Seeman K.Fabrication and Simulation of Magnetostrict iveThin-film Actuators ［J ］.Sensors and Actuators,1995;A50（1~2）:105~1091.［4］北京科技大学.高性能大直径稀土超磁致伸缩材料产业化技术［Z ］.国家科技成果.［5］稀土冶金及功能材料国家工程研究中心.稀土超磁致伸缩材料及应用［Z ］.国家科技成果.［6］北京工商大学.压电或稀土磁伸谐波电机技术［Z ］.国家科技成果.（上接第163页）一、前言经济型数控铣床一般是以步进驱动器为驱动元件的开环控制装置，当前大多数企业的数控机床还有20世纪初生产的，其机械部分完整，但电气部分多已经老化，特别是当时数控系统落后，存在开放性差，处理速度慢，英文操作，单色显示器，人机界面交互性差等缺点。
这些机床往往因配件短缺，操作困难等原因闲置，需要进行维修改造。
对于经济型数控机床改造，在保证切削质量的同时，成本是关键因素，而大多数数控系统普遍价格高，并且兼容性差。
基于PC 平台的Mach33软件控制系统具有开放性，操作方便，价格低的特点，完全满足这类铣床的改造要求，本课题就是使用基于PC 平台的Mach3软件对升降数控铣床XK5025进行维修改造。