磁致伸缩材料在超声波发生器

磁致伸缩材料在超声波发生器中的应用

关键词：智能材料超磁致伸缩材料超声波发生器

智能材料（Intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。

磁致伸缩材料（magnetostrictive material），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、合金以及铁氧体等的一种智能材料。

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，从而被以PZT (代表性的压电材料由Pb(Zr，Ti)O3 构成的陶瓷材料)为代表的压电材料占据主导地位。开发具有更大磁致伸缩效应的材料，提高磁致伸缩材料应用范围一直是人们追求的目标。20世纪7O年代在重金属Tb，Dy等单晶体中发现了很高的磁致伸缩现象。随后开发出室温下磁致伸缩系数高达(1～2)×10的三次方的TbFe 金属间化合物，这种巨大的磁致伸缩现象称为超磁致伸缩效应。

在现有的超声传感器中，主要有基于压电效应的压电传感器和基于磁致伸缩效应的磁致伸缩传感器。机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜材料的出现，使得压电传感器在工业上的应用最为广泛，压电式超声传感器效率高但对温度比较敏感，热的、机械的及化学的性能也不稳定，限制了在某些领域的应用；磁致伸缩式超声传感器和压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体等相比，超磁致伸缩材料具有下列优点：磁致

伸缩应变λ 比纯Ni大50倍，比PZT材料大5～25倍，比纯Ni和N 卜Co合金高400 ～800倍，比PZT材料高14～30倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约为10 mm 的Tb-Dy-Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200 kg的推力：能量转换效率(用机电耦合系数K。。表示)高达70 ，而Ni基合金仅有162／5，PZT材料仅有40～60 ；其弹性模量随磁场而变化，可调控；响应时间(由施加磁场到产生相应的应变λ 所需的时间称为响应时间)仅为百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率(几十至1 000 Hz)下工作，工作频带宽；稳定性好、可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化；无疲劳、无过热失效问题。

原理：磁致伸缩式超声传感器是利用材料的磁致伸缩效应及其逆效应进行工作的。当铁磁材料置于磁场中时，它的几何尺寸会发生变化，这种现象称为磁致伸缩效应。在超声技术中最常用的铁磁材料有镍或它的合金。根据铁磁材料在磁场中的几何尺寸变化的形式不同，磁致伸缩效应可分为纵向效应、横向效应、扭转效应和体积效应等。

如果在圆柱形磁致伸缩材料中，既有沿长度方向即圆柱轴向的磁场B1，同时又有绕轴的周向磁场B2，那么合成的磁场将是螺旋形的，当其中任何一个磁场变化时，将产生沿螺旋方向的伸缩并激发出扭转波，这就是维德曼(Wiedeman)效应；若在圆柱形磁致伸缩材料中，有一恒定的轴向磁场B2，当施加变化的轴向磁场B 时，将沿轴向激发出纵波，也就是焦尔效应。当扭转波或纵波在磁致伸缩材料中传播，将在磁致伸缩材料中激发出磁场，这就是磁致伸缩逆效应，分别称为

沃特海姆效应和维拉里效应。

设计的磁致伸缩式超声传感器使用有恒磁特性的磁致伸缩材料，如铁钴钒合金，对该材料进行磁化后，材料中将产生很强的周向剩磁B0，当在环绕磁致伸缩丝的线圈中通脉冲电流时，材料中产生轴向脉冲磁场B1，在两个正交磁场作用下，就产生磁致扭转效应，激发出扭转波；当扭转波在磁致伸缩丝中传播时，磁致伸缩丝中因磁致伸缩逆效应产生磁场，磁场穿过环绕磁致伸缩丝的线圈时，在线圈中产生感应电动势，传感器接收超声扭转波信号。如果在磁致伸缩丝外侧加一轴向恒定外磁场，材料中将感应出恒磁场B2，这样，材料中存在B0 、B2两个恒磁场，由于轴向磁场B2远大于周向磁场B0 ，当在环绕磁致伸缩丝的线圈中通脉冲电流时，材料中激发出脉冲磁场B1，在磁场B2和B1的相互作用下，产生焦耳效应，并激发出纵波；同样，当纵波在磁致伸缩丝中传播时，磁致伸缩丝中因磁致伸缩逆效应产生磁场，磁场穿过环绕磁致伸缩丝的线圈时，在线圈仔产生感应电动势，传感器接收超声纵波信号。

21世纪是海洋世纪，人类的生活、科学实验和资源的获取将逐渐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，他包括声发射系统，反射声的接收系统，将回声信息转变成电信息与图像的系统以及图像识别系统等。而制造低频大功率水声发射换能器的关键材料是超磁致伸缩材料。发展超磁致伸缩材料将对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。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。

电磁超声波探伤仪器，依据对比试样调整设备同心和设置探伤报警门限，后对钢管进行探伤。缺陷波高达到或超过门限，判为探伤不合格，钢管分选。在实际对数千吨热扩无缝钢管进行探伤后，从探伤结果看，检测结果准确，为热扩管产品质量把关提供了可靠的保证。特别是对一些肉眼不易发现的小缺陷，只要其深度当量值达到报警门限，没有出现漏检。下面是我们进行实际探伤中检测出的几种典型的缺陷。

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。例如，用该材料可制造超大功率超声换能器。过去的超声换能器主要是用压电陶瓷(PZT)材料来制造。他仅能制造小功率(≤2．0 kw)的超声波换能器，国外已用超磁致伸缩材料来制造出超大功率(6~25 kw)的超声波换能器。随着超声技术在农业中的应用逐步开展，对探索大功率、高频、高声强和低频不同脉冲超声（此类设备仪器须带有超声参量的自动控制程序）等条件下，作物诱变育种效应的研究，提出更有效的实验依据和手段。同时，超声也可与远红外线辐射育种和处理农作物种子的技术结合起来进行，以诱发突变，从中选育出优良变异个体，通过一系列育种程序，培育新品种，国外已有了这种试验，效果还算不错；超声在药材种植生产上的应用前途和潜力还很大，对促进国家药材生产的发展具有较大的实际意义；超声为农、林、牧业上的人工增雨方面也作出了一定的贡献。