磁致伸缩材料介绍.doc

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Tb-Dy-Fe超磁致伸缩合金研发及技术储备

磁致伸缩现象：

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，其尺寸又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。

磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）λ来描述，λ＝（lH—lo）／lo，lo为原来的长度，1H为物质在外磁场作用下伸长（或缩短）后的长度。

一般铁磁性物质的λ很小，约百万分之一，通常用ppm代表。

例如金属镍（Ni）的λ约40ppm。

磁致伸缩材料分类：

磁致伸缩材料主要有三大类：

①磁致伸缩的金属与合金，如镍和（Ni）基合金（Ni，Ni－Co合金，Ni－Co－Cr合金）和铁基合金（如Fe—Ni合金，Fe－Al合金，Fe－Co－V合金等）；

②铁氧体磁致伸缩材料，如Ni－Co和Ni－Co－Cu铁氧体材料等。

上述两种称为传统磁致伸缩材料，其λ值（在20—80ppm之间）过小，它们

没有得到推广应用。

③近期发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材

料（GMM）。

以（Tb，Dy）Fe2化合物为基体的合金Tb0．3Dy0．7Fe1．95材料（Tb－Dy－Fe材料）的λ达到1500—2000ppm，比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料的λ大1—2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。

Tb-Dy-Fe合金特点：

和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，它具有下列优点：

1、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Ni－Co合金高400—800倍，比PZT材料高14—30倍；

2、磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约l0mm的Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力；

3、能量转换效率（用机电耦合系数K33表示，即由磁能转换成机械能的比例）高达70％，而Ni基合金仅有16％，PZT材料仅有40—60％；

4、其弹性模量随磁场变化而发生变化并可以调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；

5、频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）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。

该材料目前存在的问题：

1、材料成本高

2、稀土元素容易氧化，熔炼过程烧损问题

3、Tb-Dy-Fe合金脆性大、机加工性能差，到目前为止，稀土超磁致伸

缩材料应用最广的形状仍为棒材。

Tb-Dy-Fe合金当前应用：

由于铽镝铁大磁致伸缩材料应变值高、能量密度大、响应快、精度高、频带宽、且具有智能响应,它的应用使得电（磁）——机械（声）转换产品产生了巨大的突破性进展,在科技领域里是一种超前的、任何材料无法取代的新材料。

铽镝铁大磁致伸缩材料在军事方面的应用是这种材料最早的用途之一,用这种材料制作的应用于军事和海洋工程的水声声纳显示出目前世界上最好的性能,探测距离近一万公里,而压电陶瓷声纳小于三百公里。

而用于飞机机翼控制可使反映灵敏度、可靠性大幅度提高。

用于导弹制导系统,实现飞行轨道计算机快速修正,大大提高命中率。

在高精密度控制方面的应用,例如：

超精密机床、机器人、主动减振系统、线性马达、高速阀门、伺服阀、汽车燃油电喷阀、超声清洗、打孔、破碎、超声医疗器具、各种精密仪器、计算机光盘驱动器、打印机等。

在超大规模集成电路的制作上,使用该材料制作精密定位系统,使集成电路成几十倍增加,体积大大缩小,对电子工业将产生深刻的影响。

在民用方面主要应用领域有：

照相机快门、编织驱动器、助听器、高保真喇叭、超声洗衣机、家用机器人等等。

Tb-Dy-Fe合金目前制备和研究的方法：

稀土超磁致伸缩材料的制备技术主要采用定向凝固方法和粉末冶金方法。

近年来，定向凝固法通过增加母合金中稀土元素含量，弥补制作过程中的稀土烧损；控制温度梯度和热流方向，采用适当的退火工艺，改进组织结构；同时不断改进制作设备。

2003年北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心自行研究开发了“一步法”新工艺，将熔炼－定向凝固－热处理等工序在一台设备上连续完成，可用来制备大直径、高性能、低成本的稀土超磁致伸缩材料，且易于批量生产。

用这种工艺研制的稀土超磁致伸缩材料成本仅为国际售价的18%，现已成功生产出直径70mm，长250mm的TbDyFe2超磁致伸缩棒材，主要技术经济指标均达到国际先进水平。

武汉理工大学首创了以提拉法无污染磁悬浮冷坩埚技术为核心的整套单晶制备和加工新技术，生产的Tb0.3Dy0.7Fe1.9单晶，超磁致伸缩系数为2000×10-6～2400×10-6。

粉末冶金方法也在不断改进，国外粘结磁致伸缩材料的磁性能已接近定向凝固棒材，Sandual等学者制作的粘结磁致伸缩材料的磁致伸缩效应可与Terfenol-D相当。

北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心也在进行这方面的研究工作，现成功制备出Φ40×60的Terfenol-D粘结磁致伸缩棒材，性能正在测试。

目前制备过程中先将Tb-Dy-Fe合金熔炼铸造成一定直径的棒材，然后再用定向凝固的方法制备出晶体取向生长的超磁致伸缩材料，而后通过热处理获得所需要性能的成品材料。

现有的定向结晶技术包括浮区区熔法，丘克拉夫斯基法和布里吉曼法。

前两种方法制备的晶体直径均小于10mm，生产效率低，无法适应工业对大尺寸（直径大于10mm）晶体的要求。

超磁致伸缩执行器

.1超磁致伸缩材料的介绍

1.1微机械的发展现状

随着科学技术研究向微小领域的深入，诞生了微W纳米科学与技术（Micro/NanoScienceandTechnology），以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造自然的一种高新技术。

微机械是基于广泛的现代科学技术，并作为整个微/纳米科学技术的重要组成部分的一项崭新研究课题。

其必须具备的基本要求是：

⑴体积小，精度高，重量轻；

⑵性能稳定，可靠性高；

⑶能耗低，灵敏度和工作效率高；

⑷多功能和智能化；

⑸适于大批量生产，制造成本低廉。

微机械发展很快，近几年，已成功开发出微驱动器、微传感器、微控制器等，并由这些不同的微机械器件集成许多具有精巧功能的集成机构IM（IntegratedMechansim）。

相对完备的微电子机械系统MEMS逐渐形成，整个系统的尺寸可以缩小到几毫米甚至几百微米。

如美国贝尔实验室开发出直径为400μm的齿轮，加州大学伯克利分校试制出直径为60μm的静电电机，直径为50μm的旋转关节，以及齿轮驱动的滑块和灵敏弹簧，美国斯坦福大学研制出直径20μm，长度150μm的铰链连杆机构，210μm×100μm的滑块机构，转子直径200μm的静电电机和流量为20ml/min的液体泵，日本东京大学工业研究院研制成1cm3大小的爬坡微型机械装置。

我国许多高校和研究所也取得不少进展。

如上海冶金研究所研制出直径为400μm的多晶硅齿轮、气动涡轮和微静电电机等。

这些微型机械不少已有具体的应用。

MEMS的研究和开发正得到世界各发达国家的广泛重视，尤其是集微机械、微电子等综合技术为一体的微机器人，由于其在工业、生物医学、军事和科研等领域的广泛应用前景而倍受青睐，随着智能材料与结构研究日益深入，将智能材料用于微机械、微机器人实现其结构的微型化、智能化以及功能的集成化，已经成为微机器及微机器人研究的一个主要发展趋势。

.1.2微机械用智能材料结构

⑴智能材料结构特点

将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的智能功能，如具有识别、分析、处理及控制等多种功能，并能进行数据的传输和多种参数的检测，而且还能够动作，具有改变结构的应力分布、强度、刚度、形状等多种功能，从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习等能力，这种结构称为智能材料结构。

可见，智能材料结构和制造是不可分割的，它不同于传统的结构材料和功能材料，其模糊了结构与功能的明显界限，趋向于结构功能化和功能多样化。

应用智能材料结构，有利于使传感器、执行器和电子控制电路等融为一体，以满足微机械体积小、精度高、重量轻及实现微机械的多功能化和智能化的集成。

目前智能材料结构引起了人们的广泛关注，为微机械的研究开辟了

新途径。

⑵微机械用智能材料结构常用作微机械材料的智能材料有硅材料、形状记忆合金、电致伸缩材料、电（磁）流变材料、导电聚合物、储氢材料等。

本文的超磁致伸缩执行器就是利用超磁致伸缩材料的特性所设计。

1.3超磁致伸缩材料

稀土超磁致伸缩材料（giantmagnentostrictivematerial,简写为GMM）为稀土元素铽Tb（Terbium）、镝Dy（Dysprosium）和铁（Fe）的合金化合物，是指在室温和低磁场下能产生很大的磁致伸缩应变的三元稀土铁系化合物，其典型材料为Terfenol-D，代表成份为Tb0.27Dy0.73Fe1.95。

铁磁和亚铁磁材料在磁场中磁化状态改变时，会引起尺寸或体积的微小变化，这种现象称为磁致伸缩，也称焦耳效应。

接着维拉里（E．Viiiari）发现了磁致伸缩逆效应，铁磁体在发生变形或受到应力作用时会引起材料磁场发生变化的现象。

一般铁磁体的磁致伸缩变形相当小，约为10-6量级，与热膨胀系数差不多，因此虽然早在19世纪人类就发现了磁致伸缩现象，但并未引起广泛的应用。

在20世纪60年代，人们发现稀土金属铽（Tb）和镝（Dy）在低温下（低于-200℃）具有较普通磁致伸缩材料大数千倍的磁致伸缩应变，但该性能只能在极低温度下获得，无法得到很好的应用此后人们开始探索在常温也具有大磁致伸缩应变的稀土合金材料，在1973年，A．E．Clark等人开发出常温下具有大磁致伸缩且各向异性最低的三元稀土合金TbDyFe，这就是GMM的基础。

自70年代中期以来，GMM研究的重点在材料的制备工艺以及各材料成分对其性能的影响，以尽早实现商品化生产。

至90年代前后，一些国家实现了商品化的GMM生产，如荚国公司的Tcrfcn01．D，瑞典FcrcdynAB公司的Magmek86，随后日本、俄罗斯、英国和澳大利亚等也相继研究开发出TbDyFe2型GMM。

我国于90年代前后开始研究TbDyFe晶体磁致伸缩材料，目前已有多家单位生产GMM，如包头稀土研究院、北京有色金属研究院、中科院物理所等，一些民营企业也开始从事GMM的生产，如甘肃天星稀土功能材料有限公司、浙江椒光稀土材料有限公司等。

⑴稀土材料的优点：

稀土超磁致伸缩材料具有许多非稀土材料所不具备的基本物理特性。

与传统超磁致伸缩材料相比，稀土材料有以下优点:

①磁致伸缩系数高。

在一定的磁场作用下，稀土超磁致伸缩材料的长度发生变化。

在室温下其磁致伸缩系数比传统材料高数百倍。

目前制备的稀土超磁致伸缩材料的最佳值可达2500x10-6，巨大的磁致伸缩系数使其在实际中应用成为可能。

这也是稀土超磁致伸缩材料得到迅速发展的主要原因。

②磁机耦合系数（K）高。

比压电陶瓷（PZT）高6～30倍，这使其称为实现电-磁-机械能量转换的优异的功能材料。

③输出应力大。

在外加预应力时，在低磁场下材料的磁致伸缩随磁场产生“跳跃”式增加，其磁化率也随之变化，这一效应对于实际应用具有重要意义。

因为产生巨大磁致伸缩应变所需的磁场很容易达到，可以使器件的结构简单紧凑，输出功率比PZT材料高数十倍。

可用来制作大功率超声激振源，用于工程地质勘探和超声加工及声纳系统。

④机械响应速度快，达10一6s级，且可电控。

可用于直线马达的快速行进，利用这一特性，既可以用作机械功率源如声发射源，也可以用作力传感器如声接收器。

⑤磁致伸缩变形的线性范围大。

这有利于磁致伸缩量的准确控制，可用于精密磨床给进和阀门控制,精度可达纳米级。

⑥频率特性好、频带宽，可以在低频几十