磁致伸縮材料的應(yīng)用22張幻燈片

1、磁致伸縮材料的應(yīng)用制作人：阮小麗、吳海玲磁致伸縮材料的分類傳統(tǒng)磁致伸縮材料 磁致伸縮的金屬與合金，如：鎳和金煤（Ni）基合金（Ni， NiCo合金， NiCoCr合金）和鐵基合金（如 ：F eNi合金， FeAl合金， Fe CoV合金等） 鐵氧體磁致伸縮材料，如： N iCo和 NiCoCu鐵氧體材料等。 （磁致伸縮系數(shù)）值（在2080ppm之間）過(guò)小，沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。稀土超磁致伸縮材料 稀土超磁致伸縮材料，如：（Tb，Dy）Fe2化合物為基體的合金Tbo03Dy07Fe195材料（下面簡(jiǎn)稱 T bDy Fe材料）的達(dá)到15002000ppm，比前兩類材料的大12個(gè)數(shù)量級(jí)。 特點(diǎn)：磁致伸縮

2、應(yīng)變及推力大、室溫下機(jī)械能電能轉(zhuǎn)換率高、穩(wěn)定性好和可靠性高等，有電磁能與機(jī)械能或聲能轉(zhuǎn)換的功能，因而用途廣泛。稀土超磁致伸縮材料的應(yīng)用1、聲學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域（1）低頻聲納探測(cè)系統(tǒng)圖1 超磁致方環(huán)換能器Fig.1 Giant magnetostrictive ring of transducer 國(guó)際上使用較多也較為先進(jìn)的水聲換能器：方環(huán)換能器。 特點(diǎn)：低頻中仍具大功率，因而聲信號(hào)衰減小，傳輸距離遠(yuǎn)，體積小，耐高壓。 用途：海軍裝備中的聲納系統(tǒng)。 （2）超聲應(yīng)用系統(tǒng) 用途：破碎、焊接、醫(yī)療器械、分離、清洗等領(lǐng)域。 作用：使化工過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)加速、農(nóng)作物大幅度增產(chǎn)等。 原理：線圈中通入交流電，產(chǎn)生交變驅(qū)

3、動(dòng)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)使超磁致伸縮棒頻繁伸長(zhǎng)、縮短，隨著伸縮棒的伸長(zhǎng)及縮短，輸出桿產(chǎn)生超聲振動(dòng)，從而傳遞出大功率聲能。圖2 超磁致伸縮大功率超聲換能器Fig.2 Giant magnetostrictive high power ultrasonic transducer2、力傳感領(lǐng)域施加應(yīng)力超磁致伸縮棒空氣隙永磁鐵軛鐵圖3 超磁致伸縮力傳感器Fig.3 Giant magnetostrictive force sensors原理：磁致伸縮逆效應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：比壓電陶瓷傳感器的性能更突出，體積輕巧、抗干擾能力強(qiáng)、過(guò)載能力好、工藝簡(jiǎn)單、長(zhǎng)壽命。用途：靜態(tài)力測(cè)量、動(dòng)態(tài)力的測(cè)量、重工業(yè)、化學(xué)化工、自動(dòng)化控制系統(tǒng)等

4、領(lǐng)域。 我國(guó)研制的一種新型軸向扭矩傳感器。 特點(diǎn)：非接觸檢測(cè)、高靈敏度、耐用及小型化等。 用途：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器。圖4 超磁致伸縮軸向扭矩傳感器Fig.4 Giant magnetostrictive axial torque sensors3、磁場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域利用磁致伸縮材料的正效應(yīng)，可制成多種測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁強(qiáng)計(jì)。國(guó)防科技大學(xué)的劉吉延等采用超磁致伸縮薄膜制成的光纖磁場(chǎng)傳感器，采用了磁控濺射工藝，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，在裸光纖表面鍍制均勻的TbDyFe超磁致伸縮薄膜。新型的磁光類型傳感器比傳統(tǒng)的磁電類型傳感器靈敏度更大。用途：地質(zhì)探礦、生物工程、軍事制導(dǎo)等領(lǐng)域。4、精密控制領(lǐng)域 GMM的特點(diǎn)：高響應(yīng)速

5、度、磁致伸縮靈敏、輸出應(yīng)力大等。普遍用于航天定位、精密油吸、微機(jī)器人等精密控制領(lǐng)域。 目前為止，GMM在此領(lǐng)域的應(yīng)用及對(duì)它的研究是最廣泛、最前沿的，GMM制備的精密控制器件：薄膜型執(zhí)行器、納米級(jí)致動(dòng)器、微型泵、高速開(kāi)關(guān)等。（1）新型液位傳感器 美國(guó)的MTS公司首將磁致伸縮原理用于液體測(cè)量技術(shù)，并開(kāi)發(fā)出新型的油罐液體傳感器。 特點(diǎn)：非接觸高精度地測(cè)量液體的液位和界位，多點(diǎn)測(cè)量多參數(shù)、壽命長(zhǎng)等。 一般的GMM液位傳感器，主要由保護(hù)套管、波導(dǎo)管、浮子和測(cè)量頭組成。 原理：移動(dòng)的磁浮子在波導(dǎo)管中就會(huì)產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，而脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生脈沖，當(dāng)此脈沖沿銅絲遇到軸向磁場(chǎng)時(shí)就形成螺旋形磁場(chǎng)，由于GMM的維德曼效

6、應(yīng)存在，波導(dǎo)管即產(chǎn)生波導(dǎo)扭曲，同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖的超聲波信號(hào)，超聲波即被接收轉(zhuǎn)換成為電脈沖輸送出去。（2）高壓薄膜泵 英國(guó)San Technology公司的Dariusz.A.Bushko和James.H.Goldie用Terfenol-D棒制成。在結(jié)合水力和電控裝置下，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力、大行程的水力驅(qū)動(dòng)，體積小且易控制。原理：通過(guò)線圈驅(qū)動(dòng)GMM棒發(fā)生伸縮推動(dòng)隔膜運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)吸排。1.外殼 2.線圈 3.預(yù)壓彈簧 4.工作腔 5.高壓輸入閥6.低壓輸入閥 7.隔膜 8.GMM棒 9.永磁體圖5 高壓薄膜泵Fig.5 Membrane pump with high pressure 屬微型泵系列產(chǎn)

7、品，主要用來(lái)精密控制吸排油（水）量的大小。特點(diǎn)：體積小、功率大。（3）高速電磁開(kāi)關(guān)閥 用途：航天航空數(shù)字伺服系統(tǒng)的核心元件，高頻快速控制領(lǐng)域中的重要部件。 特點(diǎn)：由GMM制作的新型電液高速開(kāi)關(guān)閥，可在頻率大于1KHz的高頻狀態(tài)下穩(wěn)定安全地工作，比PZT高速開(kāi)關(guān)閥快響應(yīng)速度更快、漂移更小、輸出位移更大、更耐高溫。1.調(diào)節(jié)栓 2.外套 3.骨架 4.線圈 5.超磁致伸縮棒 6.推桿 7.端蓋 8.滾珠a 9.支點(diǎn) 10.杠桿 11.閥芯 12.滾珠b 13.進(jìn)液口 14.出液口 15.鋼珠 16.彈簧 17.閥體圖6 電液高速開(kāi)關(guān)閥Fig.6 Electro-hydraulic of high-s

8、peed switching valve 北京航天航空大學(xué)自主研制的新型電液高速開(kāi)關(guān)閥。 原理：線圈通電時(shí)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，從而使超磁致伸縮棒伸長(zhǎng)，推動(dòng)推桿，推桿頂壓滾珠a，從而推動(dòng)杠桿工作，杠桿通過(guò)滾珠b克服預(yù)壓彈簧阻力而推動(dòng)閥芯移動(dòng)，從而使進(jìn)出液口相通。（4）微位移執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)亞微米及納米尺度高精度位置的執(zhí)行與控制的器件。優(yōu)點(diǎn)：大磁致伸縮系數(shù)、高磁-機(jī)耦合效率、驅(qū)動(dòng)響應(yīng)快等，應(yīng)用前景廣闊。這種執(zhí)行器渦流比較大，溫度對(duì)性能影響較大。圖7 典型的超磁致伸縮微位移執(zhí)行器Fig.7 Classic magnetostrictivemicro-displacement actuator1.外套 2.出水

9、管 3.彈簧 4.輸出軸5.導(dǎo)向塊 6.導(dǎo)磁體 7.超磁致伸縮棒 8.水箱 9.永磁體 10.導(dǎo)向塊 11.進(jìn)水管 12.導(dǎo)磁體 13.螺釘 14.底蓋 15.傳感器 16.線圈 17.骨架 18.電阻應(yīng)變片圖8 超磁致伸縮微位移執(zhí)行器Fig.8 Magnetostrictive small of displacement actuator 我國(guó)大連理工大學(xué)研制，將GMM進(jìn)行疊片放置減少渦流損耗，通過(guò)冷卻水消除溫度對(duì)GMM性能的影響，其拉伸強(qiáng)度比普通的更大，性能指標(biāo)已達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平。 5、動(dòng)力輸出領(lǐng)域 利用GMM高能量密度，可制作大功率微型馬達(dá)動(dòng)力輸出裝置。與傳統(tǒng)的電磁馬達(dá)或壓電超聲波馬達(dá)相比

10、，體積小輸出力大、控制精度高。 目前的微型馬達(dá)：步進(jìn)式和橢圓模態(tài)驅(qū)動(dòng)式馬達(dá)。圖9 尺蠖式馬達(dá)Fig.9 Canker worm-type motor 1988年由德國(guó)柏林大學(xué)的L.Kiesewetter教授利用超磁致伸縮材料棒作為驅(qū)動(dòng)元件研制出來(lái)的，世界上第一臺(tái)超磁致伸縮馬達(dá)。當(dāng)線圈通入電流并且位置發(fā)生變化時(shí)，超磁致伸縮棒交替伸縮，像蟲(chóng)子一樣蠕動(dòng)前進(jìn)，故稱之為尺蠖式馬達(dá)。圖10 步進(jìn)馬達(dá)Fig. 10 Stepper motor美國(guó)的J.M.Vranish等在尺蠖式馬達(dá)蠕動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了轉(zhuǎn)動(dòng)式步進(jìn)馬達(dá)。圖11 超磁致伸縮馬達(dá)定子Fig.11 Giant magnetostrictive motor stato 橢圓模態(tài)運(yùn)動(dòng)的GMM馬達(dá)工作效率較低下，這是由于定子運(yùn)動(dòng)到橢圓軌道下半部分時(shí)，作空載回程運(yùn)動(dòng)，因而不能推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)所致。 杭州科技大學(xué)設(shè)計(jì)的新型超磁致伸縮馬達(dá)解決了這一問(wèn)題，該馬達(dá)的定子由一個(gè)環(huán)和兩個(gè)Terfenol-D線性驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。1張文毓.稀土磁致伸縮材料的應(yīng)用J.金屬功能材料,2019,11(4)：42-462張學(xué)緒，周壽增.稀土超磁致伸縮材料的應(yīng)用概