稀土鐵超磁致伸縮材料的研究與應用

稀土鐵超磁致伸縮材料的研究與應用

稀土超磁膨脹材料是繼稀土永、稀土發(fā)芽系統(tǒng)和稀土高純度超材料之后出現(xiàn)的另一種新型稀土材料。它廣泛應用于各行各業(yè)的振動、燃料透射系統(tǒng)、液體和軍閥的控制、輕微定位、動態(tài)始動器、振動和聲音。它對造船、精細控制、機器人等高科技的發(fā)展具有重要意義。近年來，稀土超磁擴展材料的研究已成為一個重要的研究領域。目前，世界上許多國家正在投入大量的人才和物力來研究和開發(fā)超磁擴展材料和設備。例如，美國的etrema在1993年、1997年和2001年擴大了生產(chǎn)規(guī)模，并在材料和設備研究中心的基礎上建立了材料和設備研究中心。中國稀土資源豐富，原材料便宜，價格低廉，適應性強。這項工作的結果表明，在介紹稀土超磁擴展材料的特性后，本文介紹了它們在能源裝置、致動器和傳感器領域的應用，并介紹了研究組開發(fā)的超磁擴展材料的工作原理、傳壓函數(shù)、結構分析和開環(huán)性能。稀土超磁致伸縮材料物質(zhì)在磁場中尺寸會發(fā)生變化,這一現(xiàn)象稱為磁致伸縮.磁致伸縮效應是1842年由焦耳發(fā)現(xiàn)的,所以又稱為焦耳效應.傳統(tǒng)的磁致伸縮材料有鐵、鎳等,其磁致伸縮系數(shù)均很小,如鐵為21×10-6,鎳為46×10-6.60年代發(fā)現(xiàn)了稀土金屬Tb、Dy、Sm等在低溫下有很高的磁致伸縮性能.為了提高該材料的使用溫度,70年代初又研究了這些稀土金屬與Fe,Co,Ni等過渡族金屬的金屬間化合物,發(fā)現(xiàn)TbFe2,DyFe2,SmFe2等具有高于室溫的居里溫度,同時具有很高的磁致伸縮性能.但是它們的磁晶各向異性很大,即需要很大的磁場才能驅(qū)動,這就限制了該材料的應用.為此,人們對稀土合金相圖[6~11]、稀土鐵12[12~21]、13、623、217型化合物的結構與磁致伸縮及制備方法[25~27]進行了細致的研究,發(fā)現(xiàn)Tb1DyFe2具有很好的磁致伸縮性能和低的磁晶各向異性.并發(fā)現(xiàn)該材料制備成單晶或晶粒取向的多晶后在壓應力作用下在低磁場中磁致伸縮系數(shù)大大提高,出現(xiàn)了“跳躍效應”,使得這種材料的實際應用成為可能,因而引起了產(chǎn)業(yè)界對該材料及應用的廣泛重視.這種材料的磁致伸縮系數(shù)為1500~2000×10-6,為傳統(tǒng)磁致伸縮材料的幾十倍到上百倍,所以稱為超磁致伸縮材料(GiantMagnetostrictiveMaterial,簡稱GMM).材料磁致伸縮的大小常用應變(=/)來描述.稀土超磁致伸縮材料的磁致伸縮隨外磁場的變化曲線如圖1所示.可見其具有磁致伸縮大、線性好等特點.研究發(fā)現(xiàn)稀土超磁致伸縮材料的磁致伸縮是各向異性的,即在不同的晶體方向上磁致伸縮是不同的,如圖2所示.相比之下,磁致伸縮在易磁化軸<111>方向最大;在<112>方向,磁致伸縮次之;在<110>方向,磁致伸縮最小.圖3示出了Tb0.3Dy0.7Fe2單晶體沿不同晶軸方向上的動態(tài)磁致伸縮33隨偏置磁場的變化曲線.可見動態(tài)磁致伸縮33也是各向異性的,沿方向,動態(tài)磁致伸縮33在較低的偏置磁場下取得最大值.而沿方向的動態(tài)磁致伸縮33在較高的偏置磁場下具有峰值.沿方向的動態(tài)磁致伸縮33變換比較平緩,但數(shù)值較小.圖4示出了Tb0.3Dy0.7Fe2單晶體在(110)晶面觀察的磁疇結構,當磁場=640kA/m、沿[112]方向時,粉紋沿方向排列.的變化曲線超磁致伸縮材料主要成分為稀土金屬鋱、鏑和過渡族金屬鐵等,一般為棒狀,其它形狀包括片狀、塊狀、管狀等,圖5為疊片圓柱狀材料.疊片圓柱狀產(chǎn)品為圓柱狀產(chǎn)品沿長度方向(圓柱軸向)平行切割成均勻厚度的片狀,再經(jīng)過粘結恢復圓柱形狀,每一片之間形成電絕緣,以減小產(chǎn)品在交變磁場中使用時產(chǎn)生的渦流損耗.超磁致伸縮材料的應用由于超磁致伸縮材料應變值高、能量密度大、響應快、精度高、頻帶寬且具有智能響應,它的應用使得電(磁)~機械(聲)轉(zhuǎn)換產(chǎn)品產(chǎn)生了巨大的突破性進展.超磁致伸縮材料在軍事方面的應用是這種材料最早的用途之一,用這種材料制作的應用于軍事和海洋工程的水聲聲納顯示出目前世界上最好的性能.而用于飛機機翼控制可使反映靈敏度、可靠性大幅度提高.在工業(yè)方面的應用包括各種精密控制和超聲應用,涉及到機械工業(yè)、電子工業(yè)、石油業(yè)、紡織業(yè)、醫(yī)療業(yè)等方面.在高精密度控制方面的應用,如超精密機床、機器人、主動減振系統(tǒng)、線性馬達、高速閥門、伺服閥、汽車燃油電噴閥、超聲清洗、打孔、破碎、超聲醫(yī)療器具、各種精密儀器、計算機光盤驅(qū)動器、打印機等.在民用方面,主要應用領域有:照相機快門、編織驅(qū)動器、助聽器、高保真喇叭、超聲洗衣機、家用機器人等.超磁致伸縮材料在磁(電)聲換能器中的應用電磁波在液體和固體中衰減很快因而無法應用.聲信號在液體和固體中衰減較小,因而廣泛用于液體與固體中的探測、通信、偵察等.在水中發(fā)射聲信號的器件稱為水聲換能器,是聲納的核心部分.水聲換能器發(fā)射的聲波頻率越低,聲信號在水中的衰減就越小,傳送的距離越遠,同時頻率低受潛艇涂層噪音的干擾也較小.為了提高聲信號的分辨率,還要求換能器具有較寬的頻帶響應和多指向性.由于超磁致伸縮材料具有應變大、低頻響應好、頻帶寬等特點,是制作大功率、低頻、寬頻帶水聲換能器的理想材料.因而超磁致伸縮材料的最早應用是作為水聲換能器的核心材料.為了改善水聲換能器單指向性的特點,人們對活塞型水聲換能器進行了改進,研制了環(huán)型的超磁致伸縮水聲換能器.這種結構的水聲換能器具有4個超磁致伸縮棒,線圈中的驅(qū)動電流以相同的相位激磁,使超磁致伸縮棒同步振動,導致?lián)Q能器沿殼體徑向發(fā)出具有多指向性的聲波.在水聲換能器成功應用基礎上,人們又應用超磁致伸縮材料研制了大功率超聲換能器.超聲換能器的結構與活塞型水聲換能器結構類似,但由于超聲換能器工作頻率高,存在高頻下的渦流損耗問題.為了克服渦流損耗問題,通常將超磁致伸縮棒切成片狀,然后將片狀材料涂上絕緣樹脂,最后將涂上絕緣樹脂的片狀材料疊層制成超磁致伸縮棒.大功率超聲換能器可應用于超聲清洗、加工、分散和浮化、聲化等方面.超聲振動使液體產(chǎn)生“空化效應”,瞬間產(chǎn)生大量氣泡并破裂,產(chǎn)生局部高溫、高壓和機械沖擊力,可以用于清除物件表面雜質(zhì),污垢或油膩.超聲焊接是利用超聲波的機械振動,使被焊接件在一定壓力下通過原子鍵的聯(lián)合,實現(xiàn)固相連接.美國ETREMA公司研制的3kW的磁致伸縮超聲換能器,可用于廢舊輪胎的脫硫,長時間連續(xù)工作,破碎的橡膠脫硫后可再制成新輪胎.既解決了輪胎資源不足的問題,又解決了輪胎污染環(huán)境的問題.而傳統(tǒng)的壓電換能器功率小,無法進行此項工作.用超磁致伸縮材料制作電聲換能器用于高保真平板揚聲器,具有巨大的發(fā)展?jié)摿?它由線圈、磁致伸縮棒、軛鐵、連桿、音圈等構成.電聲換能器產(chǎn)生聲波的原理為:從功率放大電路輸入的音頻電流通過線圈,隨著電流的變化引起磁場的變化,使磁致伸縮棒做伸縮運動.磁致伸縮棒的運動帶動與連桿連在一起的音圈做軸向振動,音圈和紙盆粘結在一起構成振動系統(tǒng).音圈運動時帶動紙盆作相應運動,紙盆運動鼓動周圍空氣疏、密變化而產(chǎn)生聲波.超磁致伸縮材料在磁(電)機械致動器中的應用超磁致伸縮精密致動器是改善自動控制技術、提高產(chǎn)品精確度及反應速度的新一代致動器.它不僅能克服傳統(tǒng)電致伸縮致動器的缺點,而且其電機轉(zhuǎn)換效率具有其它材料無法比擬的優(yōu)勢,如在精密閥門、精密流量控制、數(shù)控機床、精密機床的進給系統(tǒng)方面,用精密致動器,位移精確度可達到納米級,響應速度快,輸出力大,設計相對簡單.采用超磁致伸縮棒可制成驅(qū)動元件的燃料注入閥,它由超磁致伸縮棒、驅(qū)動線圈、閥殼、預應力彈簧、燃料管、法蘭盤、燃料注入管、噴嘴等組成.燃料注入閥由一根具有負磁致伸縮系數(shù)的棒去打開閥針.當驅(qū)動線圈中的電流為零時,燃料注入閥中的閥針將燃料流關閉;當驅(qū)動線圈中通有電流時,燃料注入閥中的閥針打開允許燃料流通過.這種燃料注入閥可實現(xiàn)對燃料的精密、瞬時控制,使燃料充分燃燒,減少污染.它在汽車和飛機等內(nèi)燃機中已得到應用.超磁致伸縮材料在傳感器中的應用超磁致伸縮智能傳感器是利用超磁致伸縮材料的壓磁特性:當對其施加外力作用時,所形成的磁場將發(fā)生相應的變化.由于該材料的高抗壓強度、高應變、高反應速度等使得采用該材料研制的沖擊、振動、加速度、壓力等傳感器與同類傳感器相比有大載荷、高強度、高靈敏度等特點,適于在各種惡劣環(huán)境下工作,信號處理簡單方便,體積小、穩(wěn)定性高.此外,采用超磁致伸縮材料作為換能元件,還可以制成石油降粘解聚裝置、智能振動時效裝置、磁致伸縮泵、磁致伸縮轉(zhuǎn)動馬達等新型器件.超磁致伸縮精密致動器超磁致伸縮精密致動器是改變現(xiàn)有自動控制技術現(xiàn)狀,簡化設備設計和提高產(chǎn)品精確度及反應速度的新一代致動器.傳統(tǒng)的電致伸縮致動器,伸縮量小、輸出力小、反應慢,須高電壓驅(qū)動、設計復雜、存在極化失效問題,可靠性差,不能滿足高新技術迅速發(fā)展的需要.而超磁致伸縮精密致動器不僅能克服上述電磁致伸縮致動器的缺點,而且其電/機轉(zhuǎn)換效率具有其他材料無法比擬的優(yōu)勢,如在精密閥門、精密流量控制、數(shù)控機床、精密機床的進給系統(tǒng)方面,用GMM精密致動器,位移可達到0.1~0.5mm,精確度可達到納米級,響應速度快,輸出力大,工作電壓低,只需幾伏至幾十伏,設計相對簡單.近年來,人們對超磁致伸縮精密致動器的模型、磁路結構、控制系統(tǒng)進行了細致研究,取得了較好的結果[31~36].超磁致伸縮精密致動器的開發(fā)成功,能夠推動我國機械工業(yè)發(fā)展,起到技術革命的促進作用,具有重要意義.致動器工作原理及傳遞函數(shù)超磁致伸縮材料在磁場的激勵下,能產(chǎn)生比傳統(tǒng)磁致伸縮材料(如鎳、鐵等)約大2個數(shù)量級的應變輸出,從測試材料磁致伸縮與磁場的關系曲線發(fā)現(xiàn),當80kA/m、壓應力為15MPa時,曲線具有很好的線性,是用于致動器的較理想材料.所設計的超磁致伸縮致動器的結構示意圖如圖6所示[37~42].工作原理為:驅(qū)動線圈通上電流,產(chǎn)生驅(qū)動磁場.改變驅(qū)動電流的大小,從而改變驅(qū)動磁場的大小,進而磁致伸縮棒的長度發(fā)生變化,即可推動頂桿移動,從而實現(xiàn)位移輸出,使電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能.設、分別為激勵線圈的匝數(shù)、長度;,為輸入電壓,電流;GMM棒在長度方向上可認為由分離元件彈簧、阻尼器、質(zhì)量組成,設、、、、分別為GMM棒的長度、半徑、橫截面積、質(zhì)量密度、內(nèi)部阻尼系數(shù),、、分別為GMM棒的等效剛度系數(shù)、等效阻尼系數(shù)、等效質(zhì)量;考慮施壓連接剛度,負載是一個質(zhì)量彈簧阻尼型負載,設、、分別為負載(包括彈簧、頂桿、質(zhì)量負載)的等效剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)、質(zhì)量.所建立的致動器的輸出位移和輸入電流的傳遞函數(shù)為式中,=33,=,=,=.致動器磁結構分析超磁致伸縮材料的磁導率低,導磁性能差,漏磁嚴重.在進行磁路設計時,必須防止磁泄漏,使其中的磁場盡量均勻,這樣不但可以提高超磁致伸縮材料的利用率、減小材料內(nèi)部應力、增大致動器的位移輸出,還可以提高整個致動器的精度.采用OPERA2D電磁場計算軟件對超磁致伸縮材料致動器的磁路進行分析,計算了如圖7所示的磁結構的磁場分布,結果如圖8所示.其中線圈安匝數(shù)為5100A,線圈尺寸15mm×85mm,軛鐵凸出1mm.超磁致伸縮棒中軸向磁場強度是不均勻的,最大值為63102A/m,最小值為58734A/m,相對差值為7.44%.開環(huán)特性實驗致動器的輸入電流和輸出位移之間的關系如圖9所示.從實驗結果看出,致動器在電流為0.2A~0.8A區(qū)間時,其重復性和線性度較好.尤其是當電流為0.45A~0.5A時,線性最好(圖10),可以作為致動器的最佳工作范圍,在這個范圍內(nèi),其重復性較理想,分辨率可以達到40nm.致動器的工作范圍為70m.由于測量過程中,致動器的發(fā)熱現(xiàn)象較為嚴重,所以,實際工作時應該給