反振动与减振器应用到运载工具.doc

反振动与减振器应用到运载工具，如汽车等，可使汽车振动减少到令人舒服的程度。 用稀土超磁致伸缩材料制造的微位移驱动器，可用于机器人、自动控制、超精密机械加工、红外线、电子束、激光束扫描控制、照相机快门、线性电机、智能机翼、燃油喷射系统、微型泵、阀门、传感器等等。 专家认为，稀土超磁致伸缩材料的应用可诱发一系列的新技术，新设备，新工艺。它是可提高一个国家竞争力的材料，是21 世纪战略性功能材料。 稀土超磁致伸缩材料是下一世纪最有应用前景的稀土功能材料之一，是高新技术的物质基础。它的用途还在开发之中，其应用前景和市场十分广阔的接收系统，将回声信息转变成电信息与图像，以及图像识别系统等。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。过去声纳的水声发射换能器主要用压电陶瓷材料（PZT）来制造。这种材料制造的水声换能器的频率高（20kHz 以上），同时发射功率小，体积大，笨重。另外随舰艇隐身技术的发展，现代舰艇可吸收频率在 30kHz以上的声波，起到隐身的作用。各工业发达国家都正在大力发展低频（频率为几十至 2000 赫兹），大功率（声源级约 220dB）的声纳用或水声对抗用发射水声换能器，并已用于装备海军。低频可打破敌方舰艇的隐身技术，大功率可探测更远距离的目标，同时体积小，重量轻，可提高舰艇的作战能力。低频大功率是声纳用和水声对抗用发射水声换能器今后的发展方向。而制造低频大功率水声发射换能器的关键材料是稀土超磁致伸缩材料。发展稀土超磁致伸缩材料对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断层分析系统 O AT （Ocean Acoustic Topography）和海洋气候声学温度测量系统 A TOC （The Acoustic Thermometry of Ocean climate）的水声发射换能器，其信号可发射到 1000km 的范围，可用于测量海水温度和海流的分布图。 稀土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。它仅能制造小功率（20kW）的超声波换能器，国外已用稀土超磁致伸缩材料来制造出超大功率（625kW）的超声波换能器。超大功率超声波技术可产生低功率超声技术所不能产生的新物理效应和新的用途，如它可使废旧轮胎脱硫再生，可使农作物大幅度增产，可加速化工过程的化学反应。有重大的经济、社会和环保效益；用该材料制造的电声换能器，可用于波动采油，可提高油井的产油量达 20100，可促进石油工业的发展；用该材料制造的薄型（平板型）喇叭，振动力大，音质好，高保真，可使楼板、墙体、桌面、玻璃窗振动和发音，可作水下音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。 此外，用该材料可制造反噪声与噪声控制，反振动与振动控制系统。将一个咖啡杯人力反噪声控制器安装在与引擎推进器相连接的部件内，使它与噪声传感器联接，可使运载工具的噪声降低到使旅客感到舒服的程度（20dB）以下。材料（下面简称 T bDy Fe 材料）的达到 15002000ppm，比前两类材料的大 12 个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。 特点 和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸缩材料是佼佼者，它具有下列优点：磁致伸缩应变比纯 N i 大 50倍，比PZT材料大525 倍，比纯 N i 和 NiCo 合金高 400800 倍，比 PZT 材料高1430倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约 l0mm 的 TbDyFe的棒材，磁致伸缩时产生约 200 公斤的推力：能量转换效率（用机电耦合系数 K33表示）高达70，而 Ni 基合金仅有 16，PZT 材料仅有 4060；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所需的时间称响应时间）仅百万分之一秒，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。 技术上的应用 由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移与信息）。转换成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转换功能材料。它在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。 海洋占地球面积的 70，海洋是人类生命的源泉，但是人类对海洋的大部分还缺乏了解。21 世纪是海洋世纪，人类的生活、科学实验和资源的获及将逐渐的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，它包括声发射系统，反射声P ZT 或称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约200400ppm，它很快得到广泛应用；近期发展了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。 3 稀土超磁致伸缩材料：以（ Tb，Dy）Fe2 化合物为基体的合 金 Tb0 3Dy0 7Fe1 95材料（Tb DyFe 材料）的达到 15002000ppm，比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料的大 12 个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。 磁致伸缩现象 大家知道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，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。另外有些物质（多数是金属氧化物）在电场作用下，其尺寸也伸长（或缩短），去掉外磁场后又恢复其原来的尺寸，这种现象称为电致伸缩现象。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）来描述，（lHlo）lo， lo 为原来的长度，1 H为物质在外磁场作用下伸长（或缩短）后的长度。一般铁磁性物质的很小，约百万分之一，通常用 p pm代表。例如金属镍（Ni）的约 40ppm。 磁致伸缩材料 自从发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能器件与设备。为此人们研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主要有三大类：即：磁致伸缩的金属与合金，如镍和金煤（Ni）基合金（Ni， NiCo 合金， NiCoCr 合金）和铁基合金（如 F eNi 合金， FeAl合金， Fe CoV 合金等）和铁氧体磁致伸缩材料，如 N iCo和 NiCoCu 铁氧体材料等。这两种称为传统磁致伸缩材料，其值（在 2080ppm 之间）过小，它们没有得到推广应用，后来人们发现了电致伸缩材料，如（ Pb， Zr，Ti）C03 材料，（简称为 P ZT 或称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约200400ppm，它很快得到广泛应用；第三大类是近期发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料，例如以（ Tb，Dy）Fe2 化合物为基体的合金 Tbo03Dy07Fe195技术与工艺做了大量的研究，发明了一种连续生产取向（TbDyFe）磁致伸缩材料的方法，并申请了专利。北京科技大学经系统的研究优化了成分，采用与美国专利完全不同的成分、设备和技术来制造110轴向取向的 TbDy（R）Fe（M）超磁致伸缩材料。共申请了两项发明专利，其中第一项专利名称为稀土超磁致伸缩材料，专利号为： Z L931069416，1993 年 6月生效，有效期20年；第二项发明专利名称为：稀土超磁致伸缩材料及制造工艺，专利号为： Z L981011918，2001 年 5 月 2 日生效，有限期 20 年。 美国 G ibson 和 Verhoeven等人的专利和北京科技大学周寿增等人的专利是目前世界上对稀土超磁致伸缩材料具有独立知识产权的专利。 稀土超磁致伸缩材料由三个组元组成（TblxDyx）Fey（X027040，Y19020）在较低磁场下具有很高磁致伸缩应变的合金，如 Tbo03Dy07Fe195首先于20世纪70 年代初由美国海军表面武器实验室的 ACClark 博士等人发明。随后美国的 G ibson 和 Verhoeven 等人对 Tbo03Dy07Fe195合金晶体取向棒材（包括管材，片材等）的制造设备，技术与工艺做了大量的研究，发明了一种连续生产取向（TbDyFe）磁致伸缩材料的方法。 该材料在军、民两用高技术领域有广阔的应用前景，专家预计到 2010 年的销售额可以达到 18 亿美元。 1 磁致伸缩现象（或效应）：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，其又恢复原来的长度。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）来描述，（lHlo）lo，1o为原来的长度，1 H 为物质在外磁场作用下伸长（或缩短）后的长度。 2 磁致伸缩材料主要有三大类：即是磁致伸缩的金属与合金，如镍和金煤（Ni）基合金（Ni， NiCo 合金， NiCoCr 合金）和铁基合金（如 F e Ni 合金， FeAl 合金， FeCoV 合金等）；是铁氧体磁致伸缩材料，如 N iCo和 NiCoCu 铁氧体材料等。前两种称为传统磁致伸缩材料，其值（在2080ppm 之间）过小，它们没有得到推广应用，后来人们发现了电致伸缩材料，如（ Pb， Zr，Ti）C03材料，（简称为 稀土超磁致伸缩材料 致伸缩材料是近期发展起来的一种新型稀土功能材料。它具有电磁能与机械能或声能相互转换功能。“稀土超磁致伸缩材料”是当今世界最新型的磁致缩功能材料,是一种高效的Tb-Dy-Fe 合金。它在低磁场驱动下产生的应变值高达15002000ppm，是传统的磁致伸缩材料如压电陶瓷的58倍、镍基材料的4050 倍，因此被称之为“超磁致伸缩材料”。 “稀土超磁致伸缩材料”产生的应力大、能量密度高，可瞬间响应，并且具有可靠性高、居里温度高等优点，而且还是一种环保型材料；其所具有的卓越的电磁能与机械能或声能转换性能，是传统的磁致伸缩材料所无法比拟的。 “稀土超磁致伸缩材料”可广泛应用于众多行业的科学研究与生产制造领域，从军工、航空、海洋船舶、石油地质，到汽车、电子、光学仪器、机械制造，再到办公设备、家用电器、医疗器械与食品工业，无处没有它大显身手的机会。在国防、航空航天和高技术领域：如声纳与水声对抗换能器、线性马达、微位移驱动（如飞机机翼和机器人的自动调控系统）、噪声与振动控制系统、海洋勘探与水下通讯、超声技术（医疗、化工、制药、焊接等）、燃油喷射系统等领域，有广阔的应用前景。 “稀土超磁致伸缩材料”对生产技术与生产工艺的要求极高，目前只有少数几个国家的个别企业能够生产。 由三个组元组成（Tbl xDyx）Fey（X027040，Y19020）在较低磁场下具有