超磁致伸缩材料的特性及其发展应用

超磁致伸缩材料的特性及其发展应用

摘要：本文介绍了超磁致伸缩材料独特的性能及其发展历程。通过查阅大量

的资料，阐述了超磁致伸缩材料在各个领域的应用及研究现状，并且对其今后的

应用做了一些展望。

关键词：超磁致伸缩材料；特性；应用

引言

随着科学技术的发展，稀土功能材料在科学领域中的研究和应用愈发重要和

广泛，特别是在国防领域中，因而稀土材料成为了各个国家的战略性资源。我国

近几年更是大力发展各种新型的稀土功能材料，这其中就包括了新型的稀土超磁

致伸缩材料。稀土超磁致伸缩材料的应用非常广泛，对发展有源减震、航天燃料

喷射系统、快速阀门控制、纳米级致动器、新型声纳系统、机器人等高新技术有

着重要的影响[1]。

1 超磁致伸缩材料

1.1 产生磁致伸缩效应的机理

在居里点温度以下时，铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度

和体积会发生微小的变化，这种现象称之为磁致伸缩效应，长度的变化是1842

年由焦耳发现，亦统称为焦耳效应或者线性磁致伸缩[2]。由于体积磁致伸缩量非

常小，研究和应用都主要是线性磁致伸缩领域，所以一般的磁致伸缩也就是指线

图1 磁体磁畴在外磁场作用下发生转动

引起磁体尺寸发生变化示意图

Fig.1 The magnetic domain under the effect of external magnetic field

occurrence of rotation and lead to change size magnets

性的磁致伸缩。

产生磁致伸缩的机制是多方面的，有自发形变、场致形变、轨道耦合和自旋

—轨道耦合相叠加、形状效应等原因，以下仅从场致形变的理论简单说明：在外

磁场的作用下，多畴磁体的磁畴要发生畴壁移动和磁畴转动，结果导致磁体尺寸

发生变化。当磁场比饱和磁场Hs小时，样品的形变主要是长度的改变，体积几

乎不变；当磁场大于饱和磁场Hs时，样品主要表现为体积磁致伸缩。磁体磁畴

在外磁场作用下发生转动引起磁体尺寸发生变化的示意图如图1所示[1]。

1.2 磁致伸缩材料的其他物理效应

磁致伸缩材料除了焦耳效应外，还有其他以下几种物理效应[3]：

（1）维拉里效应，即磁致伸缩逆效应。在磁场中，给磁体施加外力作用，由

于形状变化，导致磁化强度发生变化。

（2）维德曼效应。在磁性体上施加适当的磁场，当有电流通过时磁性体发生

扭曲变形的现象。

（3）维德曼逆效应。当磁致伸缩材料沿轴向发生周向扭曲，同时沿轴向施加

磁场时，则沿周向出现交变磁场的现象。

（4）跳跃效应。当磁致伸缩材料外加预应力时，磁致伸缩呈跳跃式变化，磁

化率也发生变化。

（5） E效应。磁致伸缩材料由于磁化状态的改变而引起自身杨氏模量发生

变化的现象。

1.3 超磁致伸缩材料特性

早期发现的磁致伸缩材料的磁致伸缩量都很小，磁致伸缩系数 约在

10~60 10 6之间，这种磁致伸缩材料被称为传统的磁致伸缩材料，它包括Ni、

Ni Co合金、Fe Al合金等。但1972年美国的Clark博士发现二元稀土铁合金

在常温下具有极大的磁致伸缩系数后，这种新型的磁致伸缩材料被称为超磁致伸

缩材料（Giant Magnetostrictive Material 简称GMM），由于为稀土构筑，亦称稀

土超磁致伸缩材料。近几十年人们不断对超磁致伸缩材料进行研究并开发应用，

其中最著名的就是美国生产的Terfenol-D型号商品，这种稀土超磁致伸缩材料的

性能不仅远远要好于传统的磁致伸缩材料，而且性能比压电陶瓷材料（PZT）更

优越。总的来说，超磁致伸缩材料具有以下几大特点：

（1）磁致伸缩系数 非常大，是Fe、Ni等材料的几十倍，是压电陶瓷的

3~5倍。正是这样大的伸缩系数，是使得超磁致伸缩材料发展迅速的根本原因所

在。

（2）超磁致伸缩材料的能量转换效率在49%~56%之间，而压电陶瓷在

23%~52%之间，传统的磁致伸缩材料仅为9%左右，所以可运用此特性制造高能

量转换效率的机电产品。

（3）居里温度在300 C以上，远比PZT要高，因此在较高的温度下工作都

可以保持性能的稳定。

（4）能量密度大，是Ni的400~800倍，是压电陶瓷的12~38倍，此特性适

用于制造大功率器件。

（5）产生磁致伸缩效应的响应时间短，可以说磁化和产生应力的效应几乎

是同时发生的，利用这一特性可以制造超高灵敏电磁感应器件。

（6）抗压强度和承载能力大，可在强压力环境下工作。

（7）工作频带宽，不仅适用于几百Hz以下的低频，而且适用于超高频。

2 超磁致伸缩材料的发展

2.1国外超磁致伸缩材料的研究发展

20世纪60年代初，Legvold等人发现稀土金属Tb和Dy在低温下磁致伸缩

系数非常大，但是有序化温度很低。1972年，美国的A.E.Clark博士发现TbFe2、

DyFe2等二元稀土铁合金在温室下有很大的磁致伸缩系数。1974年Clark又发现

了三元稀土铁合金的饱和磁致伸缩系数达到了10 3的数量级，远比其他材料的伸

缩系数要大，并在1976年申请了此项专利并推向实用化。

到20世纪80年代中期，开始出现了商品化的稀土超磁致伸缩材料，主要的

代表为美国Edge Technologies公司生产的Terfenol-D和瑞典Feredyn AB公司生

产的Magmek 86。其后日本、俄罗斯、英国和澳大利亚等也相继研究开发出

TbDyFe2型的GMM[4]。在GMM应用方面，主要有美国海军开发的高灵敏磁致

伸缩应变计、日本东芝公司设计的精度达到纳米级的超磁致伸缩致动器、美国

J.M.Vranish利用蠕动原理研制的步进式微型马达、瑞典公司开发的高精度燃料

喷射阀、日本用Terfenol-D棒制成的微型隔膜泵等。

2.2 国内超磁致伸缩材料的研究发展

20世纪80年代中期我国有关单位和院校就开始着手研究超磁致伸缩材料，

主要有北京钢铁研究总院、中科院北京物理研究所、大连理工大学、浙江大学等，

并且在材料制备和应用等方面取得了一定的成果。

在材料制备方面，已有多家单位可以生产GMM，如北京有色金属研究院、

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，通过掺杂改变

比例成分的方法，可制备出各种性能优异的稀土超磁致伸缩材料，其制备方法已

经达到了国际领先水平。在材料应用研究方面，冶金部钢铁研究总院和中科院声

学研究所研制出了国产的大功率低频声纳；甘肃天星稀土功能材料有限公司研制

了智能振动实效装置设备；2002年大连理工大学贾振元、杨兴等研究出了新型

微位移执行器；2005年清华大学李翠红、叶子申等利用超磁致伸缩微驱动器设

计了一种蠕动机构；2008年王玉生利用GMM设计出新型平板扬声器等[5]。但

与国际先进行列相比，我国在此材料应用研究方面整体还处于比较落后的位置。

3 超磁致伸缩材料的实际应用

超磁致伸缩材料由于其独特且优异的性能被广泛应用于各个行业，特别适用

于军事领域，是国防战略性资源材料。通过最近几十年的发展，以GMM材料为

基础的工业产品就有上千种，以下仅从几大角度对GMM的应用进行分析。

3.1 声学应用领域

（1）低频声纳探测系统

在大功率低频声纳系统方面，国际上使用较多也较为先进的水声换能器是方

环换能器[6]（如图2），是由美国的Gould公司与Rayfhlon公司共同研制生产出

来的。它最大的特点是在低频中仍具备大功率，因而声信号衰减小，传输距离远，

而且体积小，耐高压。在许多发达国家的海军装备中，其声纳系统都是由这种先

进的GMM器材所构建。

（2）超声应用系统

由GMM制成的大功率超声换能器，不仅广泛应用于破碎、焊接、医疗器械、

分离、清洗这些领域，还可使化工过程的化学反应加速、农作物大幅度增产等。

一般的大功率磁致伸缩超声换能器结构如图3所示，它的基本工作原理为：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能[7]。

3.2力传感领域

由于稀土超磁致伸缩材料存在一个重要的物理效应—磁致伸缩逆效应，人们

就利用这一物理效应制备出了高灵敏力传感器[8]（如图4）。这种力传感器比压

电陶瓷传感器的性能更突出，具有体积轻巧、抗干扰能力强、过载能力好、工艺

简单、长寿命等优点，不仅可以用于静态力测量，还适用于动态力的测量，普遍

适合在应用在重工业、化学化工、自动化控制系统等领域。

日本的M.Sahashi等发明的接触型扭矩传感器，其灵敏度比传统的金属电阻

薄膜扭矩应变计要高10倍[9]，日本Kyushn大学研制的非接触型扭矩传感器，

可以测量瞬间扭。最近由我国研制的一种新型轴向扭矩传感器如图5所示，它具

有非接触检测、高灵敏度、耐用及小型化等特点，适用于电动助力转向器[10]。

3.3 磁场探测领域

利用磁致伸缩材料的正效应，可以制成各种各样的测量磁场强度的磁强计。

最早的GMM磁强计是由美国衣阿华大学的R.Chung等人在1991年研发出来的，

其传感器的灵敏度达到8.29 10 7 m，精度达到了160 10 6 m A/m[11]。现今

在磁场探测领域对GMM的应用研究已经转变到了磁—光类型的传感器的研究，

武汉理工大学已经开发出磁场光纤传感器原形，成功地将磁—电传感类型升级为磁—光传感类型， 其性能指标动态范围为：102Gs~10 2Gs，灵敏度为：10 3Gs~10 4Gs，可用于自导武器引信等尖端领域[12]。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如图6所示，其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[13]。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，广泛适用于地质探矿、生物工程、军事制导等领域。

3.4 精密控制领域

由于GMM具有高响应速度、磁致伸缩灵敏、输出应力大等主要特征，现今普遍用于航天定位、精密油吸、微机器人等精密控制领域[1]。可以说，到目前为止，GMM在此领域的应用和人们对它的研究是最广泛和最为前沿的，用GMM制备的精密控制器件包括了薄膜型执行器、纳米级致动器、微型泵、高速开关等等。以下仅简单地介绍一下国外和我国在此领域的一些研究成果以及产品的应用原理。

（1）新型液位传感器[14]

美国的MTS公司首先将磁致伸缩原理用于液体测量技术，并开发出来了新型的油罐液体传感器，这种传感器可以实现非接触高精度地测量液体的液位和界位，而且具有多点测量多参数、寿命长等特点。而中国还处在引进国外产品的应用研究与开发阶段，但发展很快。目前我国的一些公司比如瑞安市智能仪表公司、航天智控工程公司、康宇测控仪器仪表工程公司等都推出了自己生产的新型液位传感器。

一般的GMM液位传感器结构如图7所示，其主要由保护套管、波导管、浮子和测量头组成，工作原理为：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。

图7 超磁致伸缩液位传感器 Fig.7 Giant magnetostrictive liquid

level sensors

（2）高压薄膜泵

高压薄膜泵隶属于微型泵系列产品，主要是用来精密控制吸排油（水）量的大小。它主要特点是体积小、功率大。由英国San Technology公司的Dariusz.A.Bushko和James.H.Goldie用Terfenol-D棒制成的微型高压薄膜泵如图8所示。其在结合水力和电控装置下，可实现强力、大行程的水力驱动，体积小且容易控制。它的工作原理主要是通过线圈驱动GMM棒发生伸缩推动隔膜运动从而实现吸排[15]。国外在微型泵的应用研究早已经转入了GMM型微型泵领域，技术远远领先国内，而我国对微型泵的研究现阶段还只是停留在PZT型的微型泵研究开发上。

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9 电液高速开关阀 Fig.9 Electro-hydraulic of high-speed

switching

（3）高速电磁开关阀

高速控制开关不仅是航天航空数字伺服系统的核心元件，而且在高频快速控制领域中都是重要的部件。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。近十几年来国内外众多学者和机构对高速开关进行了大量的研究，图9则为北京航天航空大学自主研制的新型电液高速开关阀。该阀工作原理为：线圈通电时产生驱动磁场，从而使超磁致伸缩棒伸长，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[16]。

（4）微位移执行器

微位移执行器是可以实现亚微米及纳米尺度高精度位置的执行与控制的器件。超磁致伸缩微位移执行器依靠自身材料的大磁致伸缩系数、高磁-机耦合效率、驱动响应快等优点，在微位移领域显示出了极其广阔的应用前景。

国内外研究超磁致伸缩执行器的机构和公司有很多，其中美国

ETREMA

Products INC 公司开发生产的超磁致伸缩执行器性能比较突出[17]。一般典型的超磁致伸缩微位移执行器结构如图10所示[18]，但这种执行器涡流比较大，温度对性能影响较大。目前由我国大连理工大学研制的新型超磁致伸缩微位移执行器如图11所示，它通过将GMM进行叠片放置的方式减少涡流损耗，而且通过冷却水来消除温度对GMM性能的影响，其拉伸强度比普通的超磁致伸缩微位移执行器更大，性能指标已经达到了国际领先的水平[18]。

图10 典型的超磁致伸缩微位移执行器

Fig.10 Classic magnetostrictive

micro-displacement actuator

3.5动力输出领域

利用GMM高能量密度这一特性，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，超磁致伸缩马达的体积很小，而且输出力大、控制精度高[19]。目前所研究与应用的微型马达主要有步进式和椭圆模态驱动式马达，其中步进式马达又是由一种尺蠖式马达发展而来的。

尺蠖式马达是1988年由德国柏林大学的L.Kiesewetter教授利用超磁致伸缩材料棒作为驱动元件研制出来的，并且是世界上第一台超磁致伸缩马达。当线圈通入电流并且位置发生变化时，超磁致伸缩棒交替伸缩，像虫子一样蠕动前进，

]故称之为尺蠖式马达[20（如图12）。到了20世纪90年代初，美国的J.M.Vranish

等在尺蠖式马达蠕动原理的基础上，开发出了转动式步进马达，其结构如图13所示[21]。

椭圆模态运动的GMM马达工作效率比较低下，这是由于定子运动到椭圆轨道下半部分时，作空载回程运动，因而不能推动转子运动所致。目前由杭州科技大学设计的新型超磁致伸缩马达解决了这一问题，该马达的定子由一个环和两个Terfenol-D线性驱动器构成，如图14所示。其中结构相同的GMM驱动器a和b相隔90 ，均分布于定子外圆周上。当a和b的驱动器电压相位差为90 时，定

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11 超磁致伸缩微位移执行器 Fig.11 Magnetostrictive small of displacement actuator

子将做半径为L的圆周平动，最后通过定子和转子间的接触摩擦力推动转子运动[19]。

图12 尺蠖式马达 图13 步进马达

Fig.12 Canker worm-type motor Fig. 13 Stepper motor

图14 超磁致伸缩马达定子

Fig.14 Giant magnetostrictive motor stator

4 结束语

超磁致伸缩材料的发展虽然只有几十年的历史，但是其在航天航空、国防工业等领域的广泛应用以及器件研究，显示出了此材料的强大发展潜力。在超磁致伸缩材料应用研究方面，我国比国外发达国家还落后很远，不过却发展迅速，并取得了一定的成果。我国的稀土资源非常丰富，所以我国应该充分利用此优势进而大力发展超磁致伸缩材料的应用以及研究。由于稀土材料制备方法复杂而且成本昂贵，所以稀土材料构建的器材并未完全普及化，但是相信随着稀土掺杂等制备技术的发展，成本问题有望得到解决，并且能够在高新技术领域完全替代电致伸缩材料。而今后对该材料的应用研究，普遍要解决制冷和涡流损耗等问题，并且还要使其在生物工程、环境工程、化学化工等行业领域也有着更多的发展应用，相信其未来的应用前景将会是非常乐观。

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Characteristics and the development of applications of giant

magnetostrictive materials

Abstract：This paper introduces the unique properties and development history of giant magnetostrictive materials. Via consulting the massive material, the paper elaborates the applications and study current situation of the giant magnetostrictive materials in many realms, and gets the outlooks of its applications possibilities in the future.

Key words：giant magnetostrictive materials; characteristics; application

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2ih4.html