超磁致伸縮材料及其應(yīng)用

1、超磁致伸縮材料及其應(yīng)用一、超磁致伸縮材料基本概況1研究背景20世紀80年代,人們提出智能材料的概念以來,有關(guān)智能材料的機理研究、智能材料的制備研究以及以智能材料為基礎(chǔ)的智能系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究已成為當(dāng)前力學(xué)、物理、材料、電子、機械及信息等學(xué)界的重大基礎(chǔ)及應(yīng)用課題,并已取得了大量卓有成效的研究,形成了 智能系統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)這一新興的多學(xué)科交叉的高技術(shù)領(lǐng)域。它不僅用在國防和航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域,而且在民用工業(yè)及生產(chǎn)活動中也發(fā)揮著重要的作用。智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)中智能材料是關(guān)鍵,它是一種能通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)材料自身各種功能并對外界復(fù)雜環(huán)境條件發(fā)生變化做出反應(yīng)而發(fā)揮主動功能作用的材料,即具有感知環(huán)境變化和

2、對外部環(huán)境做出反應(yīng)的能力。其中,一類是對外界的刺激強度具有感知,如應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、化學(xué)和輻射等;一類是對外界環(huán)境條件發(fā)生變化做出響應(yīng)。它們可以和控制電路、接口電路、數(shù)據(jù)通信及電源系統(tǒng)于一體,實現(xiàn)能量之間的轉(zhuǎn)換,制作出各種各樣的傳感功能和執(zhí)行功能的智能器件。目前,智能材料具有驅(qū)動功能作用的主要有壓電材料、電致伸縮材料、形狀記憶合金材料、磁致伸縮材料和電(磁)流變液等。表1.1所示為幾種智能材料基本性能。表1.1 幾種常用功能材料基本性能指標(biāo)超磁致伸縮材料作為一種新型智能材料,其優(yōu)良的磁致伸縮特性及潛在的應(yīng)用前景在高技術(shù)領(lǐng)域得到普遍的重視,成為智能材料及其應(yīng)用設(shè)計中的一種重要單元。2.

3、超磁致伸縮的發(fā)展1842年著名物理學(xué)家焦耳首先發(fā)現(xiàn):在磁場中,鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變會引起其長度或體積發(fā)生微小變化，這種現(xiàn)象就稱為磁致伸縮，也稱焦耳效應(yīng)。其中，材料在磁化過程中伴有晶格的自發(fā)變形，會沿磁化方向發(fā)生伸長或縮短的現(xiàn)象，稱為線磁致伸縮;體積發(fā)生膨脹或收縮的現(xiàn)象稱為體積磁致伸縮。一般的，由于體積磁致伸縮發(fā)生在材料達到飽和磁化以后，且體積磁致伸縮比線磁致伸縮要微弱得多，實際用途又非常少，在測量和研究中考慮得很少，因此工程上的磁致伸縮均指線磁致伸縮。線磁致伸縮的大小用磁致伸縮系數(shù) (即沿著磁場方向的相對伸長) 衡量，如圖1.1所示，當(dāng)材料達到飽和磁化時，義將達到最大值，即稱為飽和磁致伸

4、縮系數(shù)s。圖1.1 磁致伸縮材料在外加磁場作用下產(chǎn)生變形的示意圖自從發(fā)現(xiàn)鐵磁材料中存在磁致伸縮現(xiàn)象以后，人們對磁致伸縮材料的開發(fā)與探索陸續(xù)有了新的進展。1940年，多晶體Ni和Co、坡莫合金以及鐵氧體所具有的磁致伸縮特性被研究人員發(fā)現(xiàn)，但飽和磁致伸縮系數(shù)量級約為3070ppm(ppm=10-6)具有的低量級磁致仲縮系數(shù)限制了真正的廣泛應(yīng)用，僅有超聲換能器等少數(shù)領(lǐng)域應(yīng)用。1962年，美國水面武器研究屮心Clark博士等發(fā)現(xiàn)，稀土鋱(Terbium)和鏑(Dysprosium)單晶材料在0K低溫下具有接近于1%的超大的磁致伸縮系數(shù)，但因其無法在正常的環(huán)境溫度下工作而失去實際應(yīng)用價值。1972年，C

5、lark等制備出了能夠在常溫環(huán)境下具有超磁致伸縮系數(shù)的二元立方晶Laves相稀土金屬化合物TbFe2和DyFe2，但這兩類化合物具有非常強的磁晶各向異性(K1為磁晶各向異性常數(shù))，TbFe2的K1=-7.6x106J/m3，DyFe2K1=2.1xl06J/m3，需要很大的外加磁場才能使它們達到飽和狀態(tài)，這增加了實際應(yīng)用的困難，不易于發(fā)揮它的超磁致伸縮優(yōu)勢。為了能夠?qū)崿F(xiàn)低磁場下的磁致伸縮特性，1974年，Clark等利用具有反號磁晶各向界性常數(shù)的化合物TbFe2和DyFe2組合起來形成偽二元化合物Tb1-xDyxFey (0xl， 0y 0.2)合金，其磁晶各向異性常數(shù)K1可大大減低，在298

6、K為-0.6xl06J/m3，外場作用下的飽和磁致伸縮系數(shù)大于1000ppm，達到飽和磁化所需的外加磁場強度小于0.3T，從而真正意義上實現(xiàn)了低磁場和常溫環(huán)境下的超磁致伸縮特性，具有了真正的應(yīng)用價值。通常的，由于Tb1-xDyxFey合金的特性以及制備工藝和應(yīng)用Tb1-xDyxFey，合金常被制備成棒材，其軸向磁致仲縮性能最為研究人員關(guān)注，目前實用階段的超磁致伸縮材料棒材在外界預(yù)應(yīng)力作用下其磁致伸縮系數(shù)最大可達到1800ppm，實驗室得到最大值為2375ppm。從70年代中期發(fā)現(xiàn)超磁致伸縮材料Tb1-xDyxFey合金以來，研究人員不僅對超磁致伸縮材料磁致伸縮性能進行了深入的研究，也對超磁致伸

7、縮材料成分差異與制備工藝對超磁致伸縮材料性能影響進行了深入的研究，從而加快了超磁致伸縮材料的工業(yè)化、實用化和產(chǎn)品化以及功能器件的實際應(yīng)用。如美國的Edge Technolies公司推出的商標(biāo)為Terfenol-D的磁致伸縮材料、瑞典Feredyn AB公司推出的Magmek86產(chǎn)品、英國稀土制品公司、日本東芝公司和住友輕金屬工業(yè)株式會社等相繼研發(fā)出自己的超磁致伸縮材料。在我國，也有相當(dāng)多的單位開展了這種材料的研究，雖然開展的研究較晚，但其研究速度較為迅速。已經(jīng)有較多單位和企業(yè)生產(chǎn)成分為TbDyFe的超磁致伸縮材料，如包頭稀土研究院、北京有色金屬研究院、中科院物理所、甘肅天星稀土功能材料有限公司

8、、浙江椒光稀土材料有限公司等，其主要性能和指標(biāo)也都已經(jīng)接近或者達到了國際同類產(chǎn)品的水平。一、 超磁致伸縮材料的特性1.超磁致伸縮材料的優(yōu)點目前，雖然研制出的超磁致伸縮材料在成分和制備工藝過程當(dāng)中會存在一些差異，但超磁致伸縮材料的特性是共有的。以常用的TbDyFe合金棒材為例(成分為Tb1-xDyxFey， 0.27 x0.3， 0.9y2.0 )，商業(yè)上通常稱為Terfenol-D，與傳統(tǒng)的Ni和Co相比較，已經(jīng)非常大的提高了常溫低磁場下的飽和磁致伸縮系數(shù);與壓電材料PZT相比，性能遠優(yōu)于它，具體有以下兒個特點：（1）磁致伸縮系數(shù)大，通過改善驅(qū)動條件，可以達到15002000ppm，是傳統(tǒng)材料

9、純鎳(Ni)、鈷(Co)的幾十倍甚至幾百倍，是壓電陶瓷電致伸縮的58倍。（2）能量密度高，約為1400025000J/m3，是壓電陶瓷的1530倍，因此輸出功率大，輸出應(yīng)力強，有利于器件小型化、輕量化；（3）磁機轉(zhuǎn)換效率高，最大磁(電)機耦合系數(shù)可達0.70.75，有效的提高了器件的能量轉(zhuǎn)換效率；（4）效應(yīng)速度快，加載磁場到材料輸出相應(yīng)的應(yīng)變響應(yīng)，可達到微秒量級；（5）居里溫度高，約為380420C，且在超過居里溫度后又返回至居里溫度以下，材料的特性不會發(fā)生改變，但壓電陶瓷在超過居里溫度后將永遠失效；（6）線性范圍寬，可以加載一定的偏置磁場，使材料工作在線性區(qū)域，可以實現(xiàn)高精度控制，即通過加載

10、高精度磁場進行調(diào)節(jié)，可以達到納米級高精度響應(yīng)；（7）頻率特性好，響應(yīng)頻帶寬，可以從零赫茲到幾千赫茲圍工作；（8）聲速為1720m/s，約為純鎳的1/3，壓電陶瓷的1/2，且在有外加磁場下材料的楊氏模量可變，聲速和固有頻率可調(diào)，因此在相同體積下，Terfenol-D水聲換能器的共振頻率是壓電陶瓷水聲換能器的共振頻率1/31/2，而輻射的聲功率可比壓電陶瓷水聲換能器的竊射的聲功率至少大10倍，適于低頻下的工作，被稱為革命性聲納換能器材料；（9）工作電壓低,只要有磁場存在,就能工作,而壓電陶瓷存在高壓擊穿,在應(yīng)用中受限制；（10）材料輸出穩(wěn)定性好，可靠性高，磁致伸縮性能不會隨時間而變化，無疲勞，無過

11、熱失效問題。2.超磁致伸縮材料的缺點當(dāng)然，每種材料擁有優(yōu)點的同時，也有一些缺點，超磁致伸縮材料也不例外存在一些缺點。TbDyFe合金棒材磁致伸縮性能的大小取決于外加磁場的大小，產(chǎn)生磁場的驅(qū)動線圈增加了器件的體積并且引起發(fā)熱，影響了控制精度;電阻率低，高頻時的渦流損耗降低了能量轉(zhuǎn)換效率;抗壓強度最大可達700MPa，但抗拉性能差，僅能承受約為28MPa的拉應(yīng)力，屬于脆性材料，加工工藝相對復(fù)雜;磁導(dǎo)率低，容易漏磁，降低了飽和磁化強度;存在磁滯現(xiàn)象等。這些缺點的存在必然在器件設(shè)計和工程應(yīng)用中增加很大的困難，實際應(yīng)用應(yīng)予以避免，如優(yōu)化驅(qū)動線圈設(shè)計降低器件的體積，增加水循環(huán)系統(tǒng)有效控制器件的溫度，改變超

12、磁致伸縮棒材為多層絕緣板材粘結(jié)成型減小渦流損耗、施加壓力在材料上以免拉斷、合理設(shè)計閉合磁路防止漏磁等等。3.超磁致伸縮材料的物理機制鐵磁材料在外加磁場作用下其磁化方向和體積都會發(fā)生變化，這種宏觀尺寸的變化與材料在外加磁場磁化過程中內(nèi)部微觀磁疇結(jié)構(gòu)的改變有著密不可分的聯(lián)系。磁致伸縮材料屬于鐵磁材料的一種，在鐵磁材料中具有一些自發(fā)磁性的小區(qū)域，我們稱之為磁疇，如圖1.2所示，每個區(qū)域內(nèi)部包含大量原子，這些原子在這一區(qū)域內(nèi)平行有序的排列狀態(tài)，稱之為磁矩，也稱為原子磁矩，它是磁性材料固有的這些原子的磁矩都像一個個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同，這樣各個區(qū)域的磁矩相互抵消

13、，矢量和為零，整個物體的磁矩也為零，從而在無外加磁場情況下磁疇是隨機取向的且不顯示磁性。在外加磁場作用下，鐵磁材料內(nèi)部磁矩進行有序排列，而且各個磁疇的區(qū)域大小發(fā)生變化即磁疇壁移，當(dāng)所有磁疇內(nèi)部磁矩按照外加磁場方向旋轉(zhuǎn)并沿著磁場方向排列時，整個材料內(nèi)部磁疇的磁化強度基本達到飽和，此時材料對外顯示磁性，而正是由于磁疇壁移和磁矩旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化，引起了材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，磁疇變化導(dǎo)致了材料宏觀特性即磁致伸縮和磁化強度的改變，如圖1.3所示。 圖1.2 自由狀態(tài)下鐵磁材料內(nèi)部特征圖1.3 磁化狀態(tài)時鐵磁材料內(nèi)部特征根據(jù)鐵磁學(xué)基本理論，超磁致伸縮材料磁化強度和磁致伸縮的改變從微觀上來看既源于磁疇壁移，也

14、與磁矩旋轉(zhuǎn)有關(guān)。在這里，我們針對超磁致伸縮材料磁化過程中內(nèi)部磁疇結(jié)構(gòu)變化進行簡明的介紹。超磁致伸縮材料磁化過程大致可分為四個階段:如圖1.4所示，第一階段是疇壁的可逆移動，在外加磁場較小時，磁場促使疇壁移動，使某些磁疇的體積擴大，造成材料磁化，材料的磁致伸縮應(yīng)變也是微弱的。但如若將外加磁場去掉，疇壁又退回原地，整個材料又會達到磁中性狀態(tài);第二階段是不可逆磁化，隨著外加磁場的增大，磁化曲線很快上升，材料磁化強度急劇增加，微觀磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，出現(xiàn)了跳躍式磁疇壁移現(xiàn)象，且這個過程是不可逆的。此過程由于磁疇壁移導(dǎo)致的膨脹使得磁致伸縮應(yīng)變迅速增大，并在疇壁移動完成時磁致伸縮應(yīng)變發(fā)生了最大的變化，

15、即磁致伸縮迅速增加;第三階段是磁疇磁矩旋轉(zhuǎn)，隨著外加磁場繼續(xù)增大，磁疇壁移基本結(jié)束，磁矩會從遠離磁場方向逐漸向外加磁場方向靠近而增加磁化強度，磁疇的轉(zhuǎn)動過程既可以是可逆的也可以是不可逆的。而此時的磁疇旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的磁致伸縮應(yīng)變會變得很小;第四階段是飽和磁化階段，外加磁場雖然已經(jīng)很大，但磁矩旋轉(zhuǎn)已經(jīng)變得非常小，對磁致伸縮的貢獻也很小，磁化強度和磁致伸縮達到了飽和狀態(tài)。圖1.4 磁致伸縮和磁疇變化與外加磁場的關(guān)系對于超磁致伸縮材料在有預(yù)應(yīng)力作用時，可使材料達到比無應(yīng)力載荷作用時更大的磁致伸縮應(yīng)變。這是山于預(yù)應(yīng)力改變了材料磁疇初始狀態(tài)，使磁疇發(fā)生壁移，預(yù)應(yīng)力方向的磁疇山于應(yīng)力各向異性變小了，同時棒材的長

16、度也變短了。從而在對材料進行磁化時，當(dāng)外加磁場足夠大就使得預(yù)應(yīng)力改變的磁疇又會恢復(fù)到原來無預(yù)應(yīng)力時的磁化狀態(tài)，這樣材料的磁致伸縮相比于無預(yù)應(yīng)力時就會出現(xiàn)更大的磁致伸縮。在這里需要指出的是，預(yù)應(yīng)力對于超磁致伸縮材料內(nèi)部磁疇結(jié)構(gòu)會有大的改變，包括磁疇壁移和磁疇旋轉(zhuǎn)，磁疇壁移主要貢獻了材料的磁致伸縮應(yīng)變，磁矩旋轉(zhuǎn)改變了材料的磁化強度即壓磁效應(yīng)，兩者相比較主要是前者效應(yīng)明顯，所以在預(yù)應(yīng)力作用下主要考慮的是材料的磁致伸縮特，一般會忽略壓磁效應(yīng)。二、超磁致伸縮材料的應(yīng)用正如前面所提到，超磁致伸縮棒材在軸向外磁場作用下在長度上會隨著磁場的增加而增加，磁場的減小而減小，具有耦合的磁彈效應(yīng)，即Joule效應(yīng)，且

17、隨外加力載荷的不同而有差異。基于這一特性可以制造出適用各種不同用途的執(zhí)行器。同時,除了 Joule效應(yīng)外,超磁致伸縮材料它還有以下幾個規(guī)合磁彈特性；（1）Villaiy效應(yīng)(逆磁致伸縮效應(yīng)):它是由應(yīng)力導(dǎo)致的磁化改變。當(dāng)外力作用于超磁致伸縮材料時，由于壓力導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)即磁疇結(jié)構(gòu)的變化而改變了穿過材料的磁通密度，而引起了材料磁性能的改變。通過與棒材具有同向的探測線圈，可以獲得與所加壓力大小成正比的變化信號，進而反映壓力對材料磁化強度影響。（2）Wiedemann效應(yīng)(威德曼效應(yīng)):當(dāng)給超磁致伸縮材料施加縱向恒定磁場和環(huán)狀交變磁場時，將磁場產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變換作剪切應(yīng)變，使超磁致伸縮材料發(fā)生扭轉(zhuǎn)位

18、移。（3）逆Wiedemann效應(yīng):扭轉(zhuǎn)超磁致伸縮棒材，環(huán)向的磁化強度會發(fā)生改變。同樣的，可以用探測線圈測試出扭轉(zhuǎn)引起磁化強度的改變，可以確定出剪切變形量。（4）E效應(yīng):磁致伸縮材料由于磁化狀態(tài)的改變而引起自身楊氏模量發(fā)生變化的現(xiàn)象?；谝陨线@些介紹，超磁致伸縮材料是一種具有感知和執(zhí)行能力的一種智能鐵磁材料，人們可以根據(jù)實際需求設(shè)計各種各樣超磁致伸縮材料功能器件。目前，對于超磁致伸縮材料最大的優(yōu)勢還是在于室溫環(huán)境下它在外加磁場的作用下能夠產(chǎn)生大的磁致伸縮應(yīng)變和輸出大的力，其它特性盡管也存在，但微弱的效應(yīng)難于推廣和應(yīng)用，尚且還有提高或改善，主要還是利用Joule效應(yīng)設(shè)計功能器件，將電(磁)能轉(zhuǎn)換

19、為機械能，實現(xiàn)執(zhí)行功能;也可以將機械能轉(zhuǎn)換為電(磁)能，實現(xiàn)傳感功能。因此它的應(yīng)用涉及到許多領(lǐng)域，尤其是在微機電領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。根據(jù)選用的超磁致伸縮材料外觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，具體的應(yīng)用主要有兩類：一類是使用超磁致伸縮棒材作為驅(qū)動單元的執(zhí)行器。核心部件是超磁致伸縮棒材，在外加磁場作用下，棒材微觀結(jié)構(gòu)的變化在宏觀上顯示為執(zhí)行器輸出的位移和力等。一般的，對于超磁致伸縮材料的應(yīng)用會提前加載一定的穩(wěn)態(tài)磁場和預(yù)應(yīng)力，一方面使之在線性段工作，且消除倍頻使之同步于控制過程;另一方面可以在提高磁致伸縮性能，即它的跳躍效應(yīng)(Jump)，從而使超磁致伸縮執(zhí)行器發(fā)揮最優(yōu)性能。具體有以下幾個方面的應(yīng)用：聲納系統(tǒng)與壓電

20、陶瓷水聲換能器比較，超磁致伸縮材料具有應(yīng)變大、低頻響應(yīng)好、頻帶寬等特性，美國海軍將其應(yīng)ffl于低頻聲納系統(tǒng)中，制作出內(nèi)方外圓的環(huán)型換能器，如圖1.5所示，由四根Terfenol-D棒組成，共振頻率可達2KHz。圖1.5 超磁致伸縮聲納換能器流體控制系統(tǒng)流體機械控制閩的關(guān)鍵部件就是通過驅(qū)動線圈來控制超磁致伸縮材料的位移輸出，發(fā)揮材料響應(yīng)速度快、應(yīng)變大和輸出精度高的特點，快速、準確的控制閥門的開啟和閉合，對流經(jīng)闊門的物質(zhì)能夠無級控制，如圖1.6所示。另外，直動式伺服閥也選用超磁致伸縮制作，如圖1.7所示，通過傳感器與控制單元及放大機構(gòu)，對超磁致伸縮材料非線性變形特性加以調(diào)節(jié)，形成了結(jié)構(gòu)緊湊、控制精

21、度高和響應(yīng)速度快等特點的直動式伺服閥，最大輸出流量為2L/min，最大頻率為650Hz。圖1.6 超磁致伸縮流體控制閥圖1.7 超磁致伸縮齊.動式伺服閥微控制系統(tǒng)超磁致伸縮材料的應(yīng)變輸出大小取決于所加載的磁場大小，利用超磁致伸縮材料設(shè)計的驅(qū)動器可以提供精密的納米級位移控制，其中驅(qū)動器原理圖如1.8所示。在機械加丁.中，超精密加丁.一直是困擾工業(yè)裝備制造的一項難題，如能夠?qū)⒊胖律炜s驅(qū)動器作為機床刀具微進給量的動力控制單元，可以改變以往微位移靠機械傳動控制精度低及反應(yīng)速度慢等特點。目前，國內(nèi)外單位和企業(yè)已經(jīng)研制出了基于超磁致伸縮材料驅(qū)動器單元的超精密位置控制系統(tǒng)，日本研制了用于光學(xué)金剛石車床上的

22、精度可達幾個納米，控制精度可達0.2微米的超磁致伸縮驅(qū)動器微進給系統(tǒng);浙江大學(xué)基于超磁致伸縮材料特性開發(fā)了活塞異形銷孔制造系統(tǒng)。圖1.8 超磁致伸縮驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖振動控制系統(tǒng)光學(xué)超靜平臺、航空航天動力裝置等一系列高新科技中主動消振的振動控制問題十分突出，超磁致伸縮驅(qū)動器以快速響應(yīng)、輸出力大、精度高及環(huán)境適應(yīng)性強的特點有利于在主動消振控制系統(tǒng)中發(fā)揮作用，同時材料具有的E效應(yīng)可以改變控制結(jié)構(gòu)的楊氏模量從而改變結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼特性，提高控制系統(tǒng)的可控性、可靠性和智能化。用Terfenol-D制成的主動減震器其減震能力有利于在飛行器和空間站的主動振動控制中，且其能超過以往任何技術(shù)的主動降噪減震裝置。日本Ohmate采用Terfenol-D設(shè)計了三連桿半自動消振控制裝置，可減小地震、強風(fēng)等引起的振動。南京航空航天大學(xué)和北京航空航天大學(xué)等也以超磁致伸縮材料為關(guān)鍵元件研制了用于主動振動控制的驅(qū)動器。另外一類為超磁致伸縮膜材執(zhí)行器。它是在非磁性材料基體上通過磁控濺射的方法鍍超磁致伸縮材料膜材形成層合結(jié)構(gòu)，利用超磁致伸縮材料在磁場中的伸縮變形來帶動基體的變形來實現(xiàn)驅(qū)動。一般的，薄膜執(zhí)行器形狀以矩形最為常見。根據(jù)材料磁化特性，主要是針對超磁致伸縮膜材特性施加面內(nèi)磁場，提高它的輸出性能。宇航器太陽能帆板的打開過程中有強烈的振動，飛機在飛行中遇到強氣流的沖擊尾翼在氣流中的顫振，風(fēng)