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稀土超磁致伸缩材料


2004 年 4 月 第 33 卷 第2期

















April 2004 Vol.33 No.2

JOURNAL OF HEBEI UNI

VERSITY OF TECHNOLOGY

文章 编号:1007-2373 (2004) 02-0016-07

稀土超磁致伸缩材料、 应用与器件
王博文,闫荣格
( 河 北工业大 学 磁技 术与磁材 料研究 中心,天 津 300130 )

摘要: 介绍了稀土 铁超磁致伸缩材料的磁致伸缩性能和应用该材料研制的器件. 利用磁致伸缩 材料的磁致伸缩大、能量密度高、反应速度快等特点,研制了具有尺寸小、位移量大、精度高 的致动器,用于精密加工中位移的进给、异型零件的加工和精密阀门的控制等领域.研究和开 发超磁致伸缩材料和器件, 对于促进机电一体化、微电子、纳米技术等的发展具有重要意义. 关 键 词:稀土;超磁致伸缩材料;应用;器件;致动器 文献标识码:A 中图分类号:TM274

引言
稀土超磁致伸缩材料是继稀土永磁、稀土发光、稀土高温超导材料之后兴起的又一种新型稀土功能 材料.其应用领域非常广泛,从有源减振、燃料喷射系统、液体和阀门控制、微定位到致动器、振子和 声纳,对潜艇、精密控制系统和机器人等高技术的发展都具有重要意义.近年来,稀土超磁致伸缩材料 的研究正在成为一个重要的研究领域
[1,2]

.目前,世界上许多国家都投入大量的人力、物力开展超磁致

伸缩材料与器件的研究和开发工作.如美国的 ETREMA 公司,分别于 1993、1997 年和 2001 年 3 次扩大 生产规模,并建立了材料与器件研究中心.中国稀土资源丰富,原材料价格便宜,售价远比国外价格 低,具有很强的竞争能力.研究超磁致伸缩材料的应用不仅可以获得巨大的经济效益,而且对推动我国 稀土事业的发展将产生深远的影响.本文在介绍稀土超磁致伸缩材料特性的基础上,介绍了它在换能 器、致动器和传感器领域的应用,最后介绍了课题组研制的超磁致伸缩精密致动器的工作原理、传递函 数、结构分析以及开环特性实验.

稀土超磁致伸缩材料
物质在磁场中尺寸会发生变化, 这一现象称为磁致伸缩. 磁致伸缩效应是 1842 年由焦耳发现的,所 以又称为焦耳效应.传统的磁致伸缩材料有铁、镍等,其磁致伸缩系数均很小,如铁为 21 × 10-6,镍为 46 × 10-6.60 年代发现了稀土金属 Tb、Dy、Sm 等在低温下有很高的磁致伸缩性能 TbFe2,DyFe2,SmFe2 等具有高于室温的居里温度,同时具有很高的磁致伸缩性能 各向异性很大,即需要很大的磁场才能驱动,这就限制了该材料的应用 图
[6~11] [4,5] [1,2]

.为了提高该材

料的使用温度,70 年代初又研究了这些稀土金属与 Fe,Co,Ni 等过渡族金属的金属间化合物,发现
[3,4]

.但是它们的磁晶
[25~27]

.为此,人们对稀土合金相 进行了

、稀土 铁 1 2

[12~21]

、1 3

[22]

、6 23

[23]

、2 17

[24]

型化合物的结构与磁致伸缩及制备方法

细致的研究,发现 Tb1 Dy Fe2 具有很好的磁致伸缩性能和低的磁晶各向异性.并发现该材料制备成单晶 或晶粒取向的多晶后在压应力作用下在低磁场中磁致伸缩系数大大提高,出现了“跳跃效应” ,使得这 种材料的实际应用成为可能, 因而引起了产业界对该材料及应用的广泛重视. 这种材料的磁致伸缩系数
收稿日期 :2004-03-28 基金项目 :国家 自然科学 基金资助 项目 (50371025) ;河北省 自然科 学基金资 助项目 (503055) 作者简介 :王博 文 (1956-) ,男 (汉族) ,教 授,博 士生导师 .

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为 1 500 ~ 2 000 × 10-6,为传 统磁致 伸缩材 料的 几十倍 到上百 倍,所以 称为超 磁致伸 缩材料 (Giant Magnetostrictive Material, 简称 GMM). 材料磁致伸缩的大小常用应变 (= / ) 来描述.稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩 随外磁场的 变化曲线如图 1 所示.可见其具有磁致伸缩大、线性好等特点.研究发现稀土超磁致伸缩材料的磁致伸 缩是各向异性的,即在不同的晶体方向上磁致伸缩是不同的,如图 2 所示.相比之下,磁致伸缩在易磁 化轴<111>方向最大; 在<112>方向, 磁致伸缩次之; 在<110>方向, 磁致伸缩最小. 3 示出了 Tb0.3Dy0.7Fe2 图 单晶体沿不同晶轴方向上的动态磁致伸缩 33 随偏置磁场的变化曲线.可见动态磁致伸缩 33 也是各向 异性的,沿 [111 ] 方向,动态磁致伸缩 33 在较低的偏置磁场下取得最大值.而沿 [ 211] 方向的动态磁 致伸缩 小
[28,29] 33

在较高的偏置磁场下具有峰值.沿 [011] 方向的动态磁致伸缩
[30]

33

变换比较平缓,但数值较 = 640 kA/m、沿 [ 1 1

.图 4 示出了 Tb0.3Dy0.7Fe2 单晶体在(11 0) 晶面观察的磁畴结构,当磁场 .

2] 方向时,粉纹沿 [111] 方向排列

图 1 稀土超磁 致伸缩材 料的磁 致伸缩 的变化 曲线

随外磁场

图 2 稀土超 磁致伸缩 材料的 不同晶体 方向的磁 致 伸缩 随外 磁场的变 化曲线

图 3 超 磁致伸缩 单晶体 沿不同晶 体方向 的动态 磁致 伸缩
33

图 4 室 温下在 (11 0) 晶面观察 到的 Tb0.27Dy0.7 3Fe2 单晶 体磁畴 结构, 磁场 = 640 kA/m、 沿[11 2] 方向,粉 纹沿 [111] 方向排 列

随外磁 场的变化 曲线

超磁致伸缩材料主要成分为稀土金属铽、镝和过渡族金属铁等,一般为棒状,其它形状包括片状、 块状、管状等,图 5 为叠片圆柱状材料.叠片圆柱状产品为圆柱状产品沿长度方向 ( 圆柱轴向 ) 平行切 割成均匀厚度的片状,再经过粘结恢复圆柱形状,每一片之间形成电绝缘,以减小产品在交变磁场中使 用时产生的涡流损耗.

超磁致伸缩材料的应用
由于超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

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2004 年第 2 期

使得电(磁)~ 机械 (声) 转换产品产生了巨大的突破性进 展.超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.而用于飞机机翼控制可使 反映灵敏度、可靠性大幅度提高.在工业方面的应用包括各 种精密控制和超声应用,涉及到机械工业、电子工业、石油 业、纺织业、医疗业等方面.在高精密度控制方面的应用, 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. 超磁致伸缩材料在磁 (电) 声换能器中的应用 电磁波在液体和固体中衰减很快因而无法应用.声信号在液体和固体中衰减较小,因而广泛用于液 体与固体中的探测、通信、侦察等.在水中发射声信号的器件称为水声换能器,是声纳的核心部分.水 声换能器发射的声波频率越低,声信号在水中的衰减就越小,传送的距离越远,同时频率低受潜艇涂层 噪音的干扰也较小.为了提高声信号的分辨率,还要求换能器具有较宽的频带响应和多指向性.由于超 磁致伸缩材料具有应变大、低频响应好、频带宽等特点,是制作大功率、低频、宽频带水声换能器的理 想材料.因而超磁致伸缩材料的最早应用是作为水声换能器的核心材料. 为了改善水声换能器单指向性 的特点,人们对活塞型水声换能器进行了改进,研制了环型的超磁致伸缩水声换能器 [1].这种结构的水 声换能器具有 4 个超磁致伸缩棒,线圈中的驱动电流以相同的相位激磁,使超磁致伸缩棒同步振动,导 致换能器沿壳体径向发出具有多指向性的声波. 在水声换能器成功应用基础上,人们又应用超磁致伸缩材料研制了大功率超声换能器.超声换能器 的结构与活塞型水声换能器结构类似,但由于超声换能器工作频率高,存在高频下的涡流损耗问题.为 了克服涡流损耗问题,通常将超磁致伸缩棒切成片状,然后将片状材料涂上绝缘树脂,最后将涂上绝缘 树脂的片状材料叠层制成超磁致伸缩棒.大功率超声换能器可应用于超声清洗、加工、分散和浮化、声 化等方面.超声振动使液体产生“空化效应” ,瞬间产生大量气泡并破裂,产生局部高温、高压和机械 冲击力,可以用于清除物件表面杂质,污垢或油腻. 超声焊接是利用超声波的机械振动,使被焊接件 在一定压力下通过原子键的联合,实现固相连接.美国 ETREMA 公司研制的 3 kW 的磁致伸缩超声换能 器,可用于废旧轮胎的脱硫,长时间连续工作,破碎的橡胶脱硫后可再制成新轮胎.既解决了轮胎资源 不足的问题,又解决了轮胎污染环境的问题.而传统的压电换能器功率小,无法进行此项工作. 用超磁致伸缩材料制作电声换能器用于高保真平板扬声器,具有巨大的发展潜力.它由线圈、磁致 伸缩棒、轭铁、连杆、音圈等构成.电声换能器产生声波的原理为:从功率放大电路输入的音频电流通 过线圈,随着电流的变化引起磁场的变化,使磁致伸缩棒做伸缩运动.磁致伸缩棒的运动带动与连杆连 在一起的音圈做轴向振动,音圈和纸盆粘结在一起构成振动系统.音圈运动时带动纸盆作相应运动,纸 盆运动鼓动周围空气疏、密变化而产生声波. 超磁致伸缩材料在磁 (电) 机械致动器中的应用 超磁致伸缩精密致动器是改善自动控制技术、提高产品精确度及反应速度的新一代致动器.它不仅 能克服传统电致伸缩致动器的缺点,而且其电机转换效率具有其它材料无法比拟的优势,如在精密阀 门、精密流量控制、数控机床、精密机床的进给系统方面,用精密致动器,位移精确度可达到纳米级, 响应速度快,输出力大,设计相对简单. 采用超磁致伸缩棒可制成驱动元件的燃料注入阀,它由超磁致伸缩棒、驱动线圈、阀壳、预应力弹
图 5 叠片 圆柱状 材料

稀土超磁致伸缩材料、 应用与器件

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簧、燃料管、法兰盘、燃料注入管、喷嘴等组成.燃料注入阀由一根具有负磁致伸缩系数的棒去打开阀 针.当驱动线圈中的电流为零时,燃料注入阀中的阀针将燃料流关闭;当驱动线圈中通有电流时,燃料 注入阀中的阀针打开允许燃料流通过.这种燃料注入阀可实现对燃料的精密、瞬时控制,使燃料充分燃 烧,减少污染.它在汽车和飞机等内燃机中已得到应用. 超磁致伸缩材料在传感器中的应用 超磁致伸缩智能传感器是利用超磁致伸缩材料的压磁特性:当对其施加外力作用时,所形成的磁场 将发生相应的变化.由于该材料的高抗压强度、高应变、高反应速度等使得采用该材料研制的冲击、振 动、加速度、压力等传感器与同类传感器相比有大载荷、高强度、高灵敏度等特点,适于在各种恶劣环 境下工作,信号处理简单方便,体积小、稳定性高. 此外,采用超磁致伸缩材料作为换能元件,还可以制成石油降粘解聚装置、智能振动时效装置、磁 致伸缩泵、磁致伸缩转动马达等新型器件.

超磁致伸缩精密致动器
超磁致伸缩精密致动器是改变现有自动控制技术现状, 简化设备设计和提高产品精确度及反应速度的 新一代致动器. 传统的电致伸缩致动器, 伸缩量小、 输出力小、 反应慢, 须高电压驱动、 设计复杂、 存在极化 失效问题, 可靠性差, 不能满足高新技术迅速发展的需要. 而超磁致伸缩精密致动器不仅能克服上述电磁 致伸缩致动器的缺点, 而且其电/机转换效率具有其他材料无法比拟的优势, 如在精密阀门、 精密流量控制、 数控机床、 精密机床的进给系统方面, GMM 精密致动器, 用 位移可达到 0.1 ~ 0.5 mm,精确度可达到纳米 级, 响应速度快, 输出力大, 工作电压低, 只需几伏至几十伏, 设计相对简单. 近年来, 人们对超磁致伸缩精 密致动器的模型、 磁路结构、 控制系统进行了细致研究, 取得了较好的结果 [31~36]. 超磁致伸缩精密致动器的 开发成功, 能够推动我国机械工业发展, 起到技术革命的促进作用, 具有重要意义. 致动器工作原理及传递函数 超磁致伸缩材料在磁场的激励下,能产生比传统磁致伸缩材料(如镍、铁等)约大 2 个数量级的应 变输出,从测试材料磁致伸缩与磁场的关系曲线发现,当 80 kA/m、压应力为 15 MPa 时,曲线具有
[37~42]

很好的线性,是用于致动器的较理想材料.所设计的超磁致伸缩致动器的结构示意图如图 6 所示



工作原理为:驱动线圈通上电流,产生驱动磁场.改变驱动电流的大小,从而改变驱动磁场的大小,进 而磁致伸缩棒的长度发生变化,即可推动顶杆移动,从而实现位移输出,使电磁能转变为机械能. 设 、 分别为激励线圈的匝数、长度; , 为输入电压,电流;GMM 棒在长度方向上可认为由 分离元件弹簧、阻尼器、质量组成,设 、 、 、 、 量密度、内部阻尼系数, 、 、 分别为 GMM 棒的等效刚度系数、等效阻尼系数、等效质量;考 虑施压连接刚度,负载是一个质量 弹簧 阻尼型 负载,设 、 、 分别为负载(包括弹簧、顶 杆、质量负载) 的等效刚度系数、阻尼系数、质 量. 所建立的致动器的输出位移和输入电流的传递 函数为 = =
2

分别为 GMM 棒的长度、半径、横截面积、质

+
33

+

/ ,

/ + =

+ + ,

) + =

/ ,

+ =

(1) .
图 6 致动器 结构示 意图

式中, =

20 致动器磁结构分析

















2004 年第 2 期

超磁致伸缩材料的磁导率低,导磁性能差,漏磁严重.在进行磁路设计时,必须防止磁泄漏,使其 中的磁场尽量均匀,这样不但可以提高超磁致伸缩材料的利用率、减小材料内部应力、增大致动器的位 移输出,还可以提高整个致动器的精度.采用 OPERA2D 电磁场计算软件对超磁致伸缩材料致动器的磁 路进行分析,计算了如图 7 所示的磁结构的磁场分布,结果如图 8 所示.其中线圈安匝数为 5 100 A,线 圈尺寸 15 mm × 85 mm,轭铁凸出 1 mm.超磁致伸缩棒中轴向磁场强度是不均匀的,最大值为 63 102 A/ m,最小值为 58 734 A/m,相对差值为 7.44%
[43]



图 7 不带补 偿线圈, 轭铁凸出 1 mm 的磁 路图, 1-轭 铁;2-激磁线 圈;3-超磁 致伸缩棒 ;4- 空气 图8 = 4.9 mm 柱面 上轴向 磁场的分 布

开环特性实验 致动器的输入电流和输出位移之间的关系如图 9 所示.从实验结果看出,致动器在电流为 0.2 A ~ 0.8 A 区间时,其重复性和线性度较好.尤其是当电流为 0.45 A ~ 0.5 A 时,线性最好(图 10) ,可以作 为致动器的最佳工作范围,在这个范围内,其重复性较理想,分辨率可以达到 40 nm.致动器的工作范 围为 70 m.由于测量过程中,致动器的发热现象较为严重,所以,实际工作时应该给致动器加上水冷, 以减少磁致伸缩棒因发热而引起的应变.

图 9 致动器 输入电 流与输出 位移关 系曲线

图 10 输入电 流与位 移传感器 输出电 压关系曲 线

结论
介绍了超磁致伸缩材料及其应用领域,详细介绍了所研制的超磁致伸缩精密致动器的工作原理、传 递函数、结构分析以及开环特性实验,结果表明该致动器在电流为 0.2 A ~ 0.8 A 区间时,其重复性和线 性度较好.尤其当电流为 0.45 A ~ 0.5 A 时,线性最好并且重复性较理想,分辨率可以达到 40 nm.它可 用于精密加工中位移的进给、 异型零件的加工和精密阀门的控制等领域. 研究和开发超磁致伸缩材料和

稀土超磁致伸缩材料、 应用与器件 器件,对于促进机电一体化、微电子、纳米技术等的发展具有重要意义.

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Rare-earth Giant Magnetostrictive Materials, Application and Devices
WANG Bo-wen, YAN Rong-ge
( Magnetic Technology and Magnetic Material Research Center,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China )

:Introduces the properties and application of the rare-earth giant magnetostrictive materials. Using the giant magnetostrictive materials' large magnetostriction, high energy density, and quick response , a small dimension, large displacement and high precision actuator is developed, which can be used in precision feed, abnormal shape parts machining and precision controlling. To study and develop the giant magnetostrictive materials and their devices has important significance for promoting the electromechanical integration, micro-electronics and nanometer technology. :rare-earth;giant magnetostrictive materials;application;device;actuator 作者简介:王博文,教授、博士生导师.1995 年在中国科学院金属研究所获博士 学位,1997 年在东北大学完成博士后研究工作.1998 年、1999 年和 2001 年,应邀到 德国阿伦工业大学、英国布莱顿大学和韩国电气技术研究院进行各半年的合作科学研 究工作.现任河北工业大学磁技术与磁材料研究中心副主任,电气学院副院长;中国 科学院国际材料物理中心成员,全国相图专业委员会委员,被邀请为美国应用物理杂 志《J Appl Phys.》审稿人,2003 年国际应用电磁学会议分会主席.在国家、省自然科 学基金资助下,先后从事稀土 过渡金属相图、稀土 铁超磁致伸缩材料与应用研究. 在国内外学术刊物发表论文 100 余篇(SCI 收入 50 余篇) .出版《超磁致伸缩材料制备 与器件设计》专著 1 部,主编教材 1 部.获国家发明四等奖、省科技进步三等奖和省 教委科技进步二等奖各 1 项. 联系电话:022-26564419; :bwwang@hebut.edu.cn


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