第8章超磁致伸缩材料

1、 以Terfenol-D为代表的稀土超磁致伸缩材料作为一种新型高效磁(电)能-机械(声)能转换材料，性能远优于压电陶瓷等其他材料。以这种材料为驱动元件的电-机转换技术，在大应变、强力和高功率密度及高精度、快速响应和高可靠性等方面是任何传统技术无法比拟的。8.3.1 超磁致伸缩材料及器件的性能优势 稀土超磁致伸缩材料换能器的主要优点为大位移、强力、大功率以及控制精密和响应快速，其他优点还包括可靠性高、磁(电)-机转换效率高、频带宽、能源供应简单等。另外，利用应变直接转换成线性位移或按振动原理设计的器件结构简单、可动件少、刚性大、磨损小，对精度、响应、可靠性和转换效率的提高也起了重要作用。超磁致伸

2、缩材料的智能化应用8.3.1.1 能量转换能力(位移、力、功率、效率) 稀土超磁致伸缩材料的应变和功率密度高于其他材料。静场应变饱和值s达15001062000106 ，在线性范围内也达1000106 。此值为Ni的 30 倍、压电陶瓷的35倍。稀土超磁致伸缩材料的能量密度达14kJm3 25kJm3，是压电陶瓷的1025倍。8.3.1.2 可控性(高速响应和精确定位) 稀土超磁致伸缩材料响应速度极高(1s)，性能重复性好，换能器结构简单，消除了常规系统中摩擦、空程、粘附引起的偏差和滞后。所以这种材料的换能器定位精度一般为101m，最佳可达纳米级。8.3.1.3 可靠性(性能稳定，不易发生故障

3、) 压电陶瓷在制造时就加有恒定偏磁场，时效使偏磁场产生一个持久的退化，称为退极化。即压电陶瓷的预极化在室温自然退极化，温度升高加速其退极化，而且居里温度(Tc)较低；稀土超磁致伸缩材料不发生疲劳退化，偏磁场不随时间和温度改变，Tc 较高，工作温度较宽。压电陶瓷对工作频率要求较严，而频率波动对磁致伸缩性能的影响小。一些压电换能器的工作电压很高(数千伏)，易出现电击穿问题，而稀土超磁致伸缩材料换能器在较低电压(12V100V)下工作，换能器可动件少，磨损小，这也使可靠性提高。8.3.1.4 运转能力(最高速度、最大行程) 普通小型驱动器的速度较低和行程较小，但 Terfenol-D 线性马达可获得

4、 1 m/s 的极限速度和无限的行程。 8.3.1.5 有利于简化换能器结构的其他优点 1)频率响应范围宽 在某些装置中使用一个在 02 kHz 有恒定响应的稀土超磁致伸缩材料换能器，能代替数个不同 频率响应的压电换能器。 2)有智能响应 利用逆磁致伸缩效应，材料能感知位移、力的实际值，产生反馈信号控制本身的动作。因此，驱动元件和传感器可合为一体。 3)功率供应简单 由于工作电压较低，稀土超磁致伸缩材料换能器的功率供应较简单。与传统驱动器相比，稀土超磁致伸缩材料驱动器和压电驱动器共同的优点在于高精度和快响应，它们的输出力等于或高于传统驱动器中输出力最大的液压驱动器的输出力。在高精度范围，其成本

5、/性能比远低于传统驱动器。与压电陶瓷相比，稀土超磁致伸缩材料换能器在位移量、力、能量密度、行程、速度、可靠性及频 带宽度等方面又有十分明显的优势。8.3.2 超磁致伸缩器件设计时应考虑的问题 下图是一种稀土超磁致伸缩材料磁(电)-机转换器件(驱动器)的基本结构。它由Terfenol-D驱动棒、螺线管交流磁回路、产生偏磁场的直流回路或永磁体、施加预压应力的螺丝和弹簧以及其 他结构件组成。 驱动器结构示意图 在设计时应注意以下几个方面： 驱动棒尺寸 倍频和偏磁场 驱动频率 预应力 驱动磁场 工作温度、控制 8.3.3 超磁致伸缩材料的智能化应用1.声学应用领域2.力传感领域3.磁场探测领域4.精密

6、控制领域5.动力输出领域 现代声纳技术广泛应用于军事、海洋、水利等多种水下探测领域。按工作方式的不同,声纳大致可分为2类:主动声纳(或回声定位声纳)和被动声纳(噪声测向声纳或噪声测距声纳)。目前,国内外水下探测仪器基本采用主动声纳系统。主动声纳原理是由自身发射声波,通过接受目标的回波来测定其方位、距离和径向速度等参数,主要分为侧扫声纳、合成孔径声纳、多波束探测系统和水下地形剖面仪等。1、声学应用领域（1）低频声纳探测系统图1 超磁致方环换能器 国际上使用较多也较为先进的水声换能器：方环换能器。 特点：低频中仍具大功率，因而声信号衰减小，传输距离远，体积小，耐高压。 用途：海军装备中的声纳系统。

7、 超声换能器是在超声频率范围将交变的电信号转换成声信号的能量转换器件。功率超声换能器的特点是功率大，将电能转换成超声频振动的机械能。 金属磁致伸缩材料主要有镍、铝铁合金、镍铁合金、镍钴合金、铁钴钒、铁钴合金、稀土元素与铁的二元合金等；常用的铁氧体磁致伸缩材料有镍锌铁氧体、镍铜钴铁氧体、镍锌钴铁合金等。 图2 传统的磁致伸缩超声换能器结构（2）超声应用系统 用途：破碎、焊接、医疗器械、分离、清洗等领域。 作用：使化工过程的化学反应加速、农作物大幅度增产等。 原理：线圈中通入交流电，产生交变驱动磁场，该磁场使超磁致伸缩棒频繁伸长、缩短，随着伸缩棒的伸长及缩短，输出杆产生超声振动，从而传递出大功率声

8、能。图3 超磁致伸缩大功率超声换能器 图4为美国Etrema公司研发的CU18A磁致伸缩超声换能器，其额定电压为 250V，额定电流为 10A，采用风冷的冷却方式，通入 4.1105Pa冷空气，可承受的最大温度为150，正常工作温度范围 0100，内部设有温度保护装置；使用频率为 1520KHz，最佳谐振频率为 18KHz，轴向载荷 8500N，输出振幅为 610m；其可以用于超声焊头驱动、微位移定位等。 图4 CU18A磁致伸缩超声换能器2、力传感领域施加应力超磁致伸缩棒空气隙永磁铁轭铁图5 超磁致伸缩力传感器原理：磁致伸缩逆效应。优点：比压电陶瓷传感器的性能更突出，体积轻巧、抗干扰能力强、

9、过载能力好、工艺简单、长寿命。用途：静态力测量、动态力的测量、重工业、化学化工、自动化控制系统等领域。 我国研制的一种新型轴向扭矩传感器。 特点：非接触检测、高灵敏度、耐用及小型化等。 用途：电动助力转向器。图6 超磁致伸缩轴向扭矩传感器3、磁场探测领域利用磁致伸缩材料的正效应，可制成多种测量磁场强度的磁强计。 国防科技大学的刘吉延等采用超磁致伸缩薄膜制成的光纤磁场传感器，采用了磁控溅射工艺，由计算机进行控制，在裸光纤表面镀制均匀的TbDyFe超磁致伸缩薄膜。 新型的磁光类型传感器比传统的磁电类型传感器灵敏度更大。 用途：地质探矿、生物工程、军事制导等领域。4、精密控制领域 特点：高响应速度、

10、磁致伸缩灵敏、输出应力大等。普遍用于航天定位、精密油吸、微机器人等精密控制领域。 目前为止，GMM在此领域的应用及对它的研究是最广泛、最前沿的，GMM制备的精密控制器件：薄膜型执行器、纳米级致动器、微型泵、高速开关等。（1）新型液位传感器 美国的MTS公司首将磁致伸缩原理用于液体测量技术，并开发出新型的油罐液体传感器。 特点：非接触高精度地测量液体的液位和界位，多点测量多参数、寿命长等。 一般的GMM液位传感器，主要由保护套管、波导管、浮子和测量头组成。 原理：移动的磁浮子在波导管中就会产生轴向磁场，而脉冲发生电路产生脉冲，当此脉冲沿铜丝遇到轴向磁场时就形成螺旋形磁场，由于GMM的维德曼效应存

11、在，波导管即产生波导扭曲，同时也产生一个应变脉冲的超声波信号，超声波即被接收转换成为电脉冲输送出去。（2）高压薄膜泵 英国San Technology公司的D a r i u s z . A . B u s h k o 和James.H.Goldie用Terfenol-D棒制成。在结合水力和电控装置下，可实现强力、大行程的水力驱动，体积小且易控制。 原理：通过线圈驱动GMM棒发生伸缩推动隔膜运动从而实现吸排。1.外壳 2.线圈 3.预压弹簧 4.工作腔 5.高压输入阀6.低压输入阀 7.隔膜 8.GMM棒 9.永磁体 图7 高压薄膜泵 高压薄膜泵属微型泵系列产品，主要用来精密控制吸排油（水）量

12、的大小。特点：体积小、功率大。（3）高速电磁开关阀 用途：航天航空数字伺服系统的核心元件，高频快速控制领域中的重要部件。 特点：由GMM制作的新型电液高速开关阀，可在频率大于1KHz的高频状态下稳定安全地工作，比PZT高速开关阀快响应速度更快、漂移更小、输出位移更大、更耐高温。1.调节栓 2.外套 3.骨架 4.线圈 5.超磁致伸缩棒 6.推杆 7.端盖 8.滚珠a 9.支点 10.杠杆 11.阀芯 12.滚珠b 13.进液口 14.出液口 15.钢珠 16.弹簧 17.阀体 图8 电液高速开关阀 北京航天航空大学自主研制的新型电液高速开关阀。 原理：线圈通电时产生驱动磁场，从而使超磁致伸缩棒

13、伸长，推动推杆，推杆顶压滚珠a，从而推动杠杆工作，杠杆通过滚珠b克服预压弹簧阻力而推动阀芯移动，从而使进出液口相通。（4）微位移执行器可实现亚微米及纳米尺度高精度位置的执行与控制的器件。优点：大磁致伸缩系数、高磁-机耦合效率、驱动响应快等，应用前景广阔。图9 典型的超磁致伸缩微位移执行器1.外套 2.出水管 3.弹簧 4.输出轴5.导向块 6.导磁体 7.超磁致伸缩棒 8.水箱 9.永磁体 10.导向块 11.进水管 12.导磁体 13.螺钉 14.底盖 15.传感器 16.线圈 17.骨架 18.电阻应变片图10 超磁致伸缩微位移执行器 大连理工大学研制，将GMM进行叠片放置减少涡流损耗，通过冷却水消除温度对GMM性能的影响，其拉伸强度比普通的更大，性能指标已达国际领先水平。 5、动力输出领域 利用GMM高能量密度，可制作大功率微型马达动力输出装置。与传统的电磁马达或压电超声波马达相比，体积小输出力大、控制精度高。 目前的微型马达：步进式和椭圆模态驱动式马达。图11 尺蠖式马达 1 9 8 8 年 由 德 国 柏 林 大 学 的L.Kiesewetter教授利用超磁