超磁致伸缩材料发展及其应用现状研究

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本页已使用福昕阅读器进行编辑。福昕软件(C)2005-2007,版权所有，仅供试用。机电工程 20 04年第 2卷第 4期 l Mehncl l tc nier gMaaie o,1 N . 2O cai&Ee r a E g e n gz V l2 o4 04 a c i l n i n

超磁致伸缩材料发展及其应用现状研究邬义杰(浙江大学现代制造工程研究所，浙江杭州 302 ) 107

摘

要：概要地说明了磁致伸缩现象及其机理，回顾了磁致伸缩材料的发展。系统地介绍了国

内外稀土铁系超磁致伸缩材料在各个领城的应用及其开发情况，析了基于该材料的各种应用器剖件原理与结构，并对其性能作了阐述。重点介绍了稀土铁系超磁致伸缩材料在机电工程中的应用， 并对该材料未来的发展及应用领域作了展望。关键词：超磁致伸缩材料；动器；器件致

中图分类号： B 8 T 33

文献标识码： B

文章编号：01 45(040— 05 0 1— 5120)4 05— 5 0

Gin a n t sr cie M a e i l n t p ia i n Ree r h Sat a tM g e o titv tras a d i Ap lc to s a c t e s

WU ij Y.e i(n it oMauat e ni e n I tu ste f nfc r E gn rg, u ei U i rt,H nzo 107 hn ) nei v sy aghu302,Ci aAb ta t 1ep e o n n o g eo t ein a d i n a na r rs ne r f,a d d v lp na i oy o g sr c: 1 h n me o fma n ts it n t f d me t ae pe e td b e y n e eo me tlhs r f I r o su l il t Ma— n ts it e Mae asa e rve e d s mma i d I1 u rn p l ain r s ac f F 2 G a tMa n ts it e Mae as eo t ci tr l r e iw d a u r v i n rz . 1 c re ta pi t ee h o e e c o r RE e in g eo t ei t l r v i r

(M G M)i vr u e s nC i dw s a s m t a yi r ue, se i l te p l a o s

nm c a oi nier g . n a o s l h aa et r s t a c l t d cd ep c y h p c t n eh t nc e g ei s i f di i n n e ye i l no l a a i i i r s n nI1 rn il d sr cu eo h s e ie r r p s d.a d terp r r n e r s ttd. 1e a pl ain o M n f— 1e pi cpe mi tu tr ftee d vc sae p o o e n h i f ma c sa ea o sae I1 p i t fGM e o l c o i u tr sas ic s e u e i o ds u s d. l Ke y wor s:ga tma neo titv tras cu tr d vc d in g tsrcie m ei;a tao; e ie a l

1前

言

通常为 1 I数量级。超磁致伸缩材料是具有大 06

磁致伸缩系数的磁致伸缩材料，其一般大于 30 .×1 0~。

14年，尔发现： 82焦当磁性体 (如金属 N、e等 ) iF 的磁化状态改变时，外型尺寸或体积会发生微小其的变化，就是磁致伸缩效应，这又称焦尔效应。磁致

2超磁致伸缩材料的发展2世纪 4年代，i c 0 0 N和 0的多晶磁致伸缩材料进入应用；0年代初，们已发现稀土元素具有很 6人多独特的磁性。 16 93年， evl L go d等人发现稀土金属

伸缩可分为：磁致伸缩和体积磁致伸缩。当磁性线体被磁化时，磁化方向伸长或缩短，为线磁致伸沿称

缩。发生线磁致伸缩时，性体的体积几乎不变。磁当磁化未达到饱和时，主要是产生线磁致伸缩，致磁伸缩一般均指线磁致伸缩。磁性体磁化状态改变时，积发生膨胀或收缩的现象则称为体积磁致伸体

铽 ( b和镝 ( v在低温下的磁致伸缩是传统磁致 T) D)伸缩材料的 10~10 0 00倍，它们的有序化温度很但

低，而钆 (a在居里温度不低于室温时的磁致伸缩 G)值基本为零【 。

缩。磁性体磁化饱和以后主要产生体积磁致伸缩。 在绝大部分磁性体中，体积磁致伸缩很小，实际的用途也很少，因此很少考虑它。

2世纪 7 0 0年代初，们开始研究

可在室温下人工作的超磁致伸缩材料。自 17 91年开始，国海军美表面武器研究中心和爱阿华州立大学探索有实用意义的稀土超磁致伸缩材料。 17, E.Cak发 92年 A. l r

磁致伸缩材料是指具有磁致伸缩效应的磁 ( )电——机械能转换材料，的饱和磁致伸缩系数它收稿日期：04—0 20 3—0 3

基金项目：家自然科学基金资助项目(07 14。国 5 253 )

作者简介：邬义杰(93一)男， 16,浙江宁波人，博士，从事数控技术，能材料结构等研究。智

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5 . 6

M c cl 1 mc n ne n a z e o 2 N . O 4 e a&Ee a E e i M g i V 1 1 o4 0 h c l fg an . 2

机电工程

20年第 2卷第 4 O4 1期

现 T F 2D F 2二元稀土铁合金在室温和低磁场 b e、 y e等下有很大的磁致伸缩系数[;94年又发现三元稀 17]土铁合金在常温下饱和磁致伸缩系数达到 1数 0

nl y公司的 D r s A.B sk og o a uz i uho和 Jm sH.G l e a e oi d

用 Trnl ef oD棒制成了微型高压隔膜泵，合水力和 e—结电控装置，实现强力、可大行程的水力驱动，可线既性输出又可旋转输出，积小且易于控制。图 1体为

量级，磁机耦合系数大于 06 17公布了 C a .。 96年 lr k等人在美国申请的专利 ( S995 )并将其推向实 U 343 1,用化[。后来，国、美瑞典和日本等的一些公司对三元稀土铁合金进行了大量研究，用不同工艺不同采配比制成了具有各种规格和配比的超磁致伸缩材料。

该系统的总体框架和高压隔膜泵结构，由图 1见，可该系统包括 4功能子系统：个 J

()超磁致伸缩高压泵， 1提供可控高压水流源；

() 2水压传输与分配系统，将水压传递给线性或转动致动器，控制驱动方向；并

2世纪 8 0 0年代中期，开始出现商品化的稀土超磁致伸缩材料，品主要有美国 E g eh o g s产 deT cnl i oe公司的

Tr n l e eo D和瑞典 Fr y B公司的 M g e f— e d nA e am k

()常规线性或旋转水力致动器，高压水流 3将转换成可供利用的力或者扭矩；

()能源和电控系统，别用于为高压泵提供 4分驱动电流和掌握控制阀的动作。

8, 6日本、国等国家也进行了相关研究，得一定英取成果[ 18。 9 8年以来，因材料制备工艺的突破，材料的制备与应用研究进入快速发展阶段。

18 99年全世界 Tr nl eeo D合金产量仅为 10k, f— 0 g19年约 1 0 g 19 93 0k,9 5年达到 1 0 g而到 19 0 00 0k, 97

输出轴

年已达到 7 0 k。最近几年来， ef o D的市场 0O0 g T r nl e—

年增长率为 10。美国 Isn博土认为，土超磁 0% ao r稀致伸缩材料已进入稳定的需求增长期，成长趋势其与 N—F—B稀土永磁材料极为相似。 d e

\—————、,———一

分配系统大扭矩旋转驱动器高压泵液压传输与

()系统框架图 a

3超磁致伸缩材料工程应用研究现状稀土超磁致伸缩材料一经发现，即受到各国立科技界、工业界和政府部门特别是军事部门的高度关注。近年来，国外研制了近千种应用器件，准的批美国专利已超过一百多件。永磁体——

一一

磁致伸缩棒管路

隔膜…

二 襄磁路

电路

f) b磁致伸缩高压泵

3 1在磁 ( )机换能器中的应用 .电一基于超磁致伸缩材料的微位移致动器具有大位移、力、强响应快、靠性高、移量小、可漂驱动电压低图 1基于超磁致伸缩的高性能驱动系统

3 12在超精密加工中的应用 ..

等优点，而在流体机械、精密加工、马达以及因超微振动控制等工程领域均显示出良好的应用前景。3 1 1在流体机械中的应用 ..

目前，米、米级超精密定位系统用致动元件纳埃

大多使用压电陶瓷材料，输出功率低，必须采取其且有效措施防止冲击力和高驱动电压造成的短路等问题。超磁致伸缩驱动元件输出位移是电致伸缩致动器的数十倍，可低阻抗运行。日本茨城大学江田 .且

目前，超磁致伸缩电 ( )机械能

转换器较多磁一应用于微型泵、油喷射系统和各种阀门等产品中。燃 瑞典 A B公司用 Tr nl B ef o D为驱动元件设计了流体 e—泵；家瑞典公司将 Trnl一 eeo D用于燃料喷射阀的驱 f—动，申请了专利[;并 M.G ofed等人采用超磁致] odr n i伸缩致动器改造比例滑；aai ri T khm Ua等采用超

弘和 Tsia司的 K bysi oh公 b oaah合作设计了纳米级超精密定位超磁致伸缩致动器 (图 2,于大型光见 )用学金刚石车床的微进给装置 _。 9 J3 1 3在微型马达中的应用 ..

磁致伸缩致动器研制了直动式伺服阀[日本用 ;Tr nl e eo D研制成功了微型隔膜泵；国 Sto e— f -英 a nTc C

C da R cece er ehrh首次研制并测试了利用两种振 t动模式间的机械共振实现的超磁致伸缩摩擦马达。

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该马达的定子由一个环和两个 T r n1 e eo D线性致动 f .器构成，产生平移和屈曲两种振动模式 (图 3,见 )两种模式利用 9。移进行耦合以产生椭圆振动， o相利用

装置可在 3直线或转动方向产生可控的摩擦力和个摩擦力矩 l _ l。

在国内，京航空航天大学的顾仲权等研究了南磁致伸缩材料作动器在振动主动控制中的应用；哈尔滨工业大学的盖玉先等研究了以 G A为作动器， M 采用人工模糊神经网络控制的超精密机床隔振系

这种椭圆振动并借助摩擦即可将运动传递给两个转子[ 1。

统；海军工程大学的欧阳光耀等研究了超磁致伸缩作动器的设计方法，将其作为振动主动控制的执并行器，取得了较好的振动控制效果。3 2在声纳中的应用 .

3 2 1在大功率低频声纳系统中的应用 ..因线圈圈 G MM棒圆永磁体

声纳的核心元件是其换能器

的能量转换材料，

图 2超磁致伸缩致动器截面图

以往的声纳大多采用压电换能器，射频率都在 2发kz H以上，低频声纳有其特殊的优越性。用 T r但 e—

f o D制作的声纳具有低频、功率、 e1 n.大尺寸小、量重轻的优点，会产生高压击穿，不它最早由美国海军部( a)平移模式

门采用，且发展较快。

国际上最先使用的 Trn1 eeo D换能器是一种内 f .方外圆形水下器件，为方环换能器，用于美国称应( b)屈曲模式

Gud司和 R y l ol公 alo h n公司最早的商品水听器中。日本学者 w kw k用超磁致伸缩材料设计了声 a iaa采纳换能器，构如图 4所示。理论上，结此换能器机电耦合系数可达 0 7, .3声源信号可达 12d[ J 9 B巧。

图 3定子振动模式

德国的 L Kee et利用 T f n1 . i w tr s e e eo D棒研制成 .

功一种尺蠖式马达…J当线圈通入电流并且位置。发生变化时，磁致伸缩棒交替伸缩，超象虫子一样蠕动前进。 美国的 J M. r i . V a s利用蠕动原理采用超磁 n h等

致伸缩材料开发出转动式步进马达[。 J3 14在主动减振降噪机构中的应用 ..

主动减振降噪机构是利用传感器检测设备的振动位移信号，经控制器处理后反馈到致动器，由致动器产生大小相等、向相反的位移以抵消振动。作方图 4超磁致伸缩声纳振子结构图

我国冶金部钢铁研究总院和中科院声学研究所

为主动减振降噪系统执行机构的超磁致伸缩致动器最大输出力可达数千牛顿，动衰减量最大可达振

采用国产超磁致伸缩合金，制出大功率低频声纳。研七一五研究所进行了多边形水声换能器的研究。到 2 0,磁致伸缩水下声纳将在世界范围内普遍 0 5年超采用；了水下声纳，磁致伸缩声纳还应用于陆地除超

7%, 0频率范围为 0~ I, 5kI低频持性好。 - z美国的 M. naap等将超磁致伸缩致动器应 A j pa n用于振动的主动控制中，对其工作原理进行了理并

声纳和工业声纳。陆地声纳用于地质工程和地质科学，业声纳用于石油测井、油管

堵塞定位和油田工输二次开采等。 3 2 2在超声换能器中的应用 ..

论分析与实验研究，首次给出了考虑热效应的超磁致伸缩致动器的基本数学模型[。日本的 O m t J h a e K.等采用 T r n1 e eo D设计了三连杆臂型半主动振动 f .控制装置，可减缓由于地震、风等产生的振动。该强

用超磁致伸缩材料制作大功率超声换能器，需

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5 . 8

M cai l EetcI nier gM gz e V 12 N . 20 ehn a& l ra E gnei aai o.1 o4 04 c ci n n

机电工程

2 4年第 2卷第 4期 .0 0 1

克服高频下的涡流损耗。为此，能器的驱动元件换

统[]海军工程大学的欧阳光耀、引研究了超磁 2; 4施

须采用薄片叠层的方法制成。用超磁致伸缩材料制造的大功率超声换能器，清洗、在除垢、离、化、分乳 破碎、机加工、料焊接、伤和医疗器械等方面具塑探有广泛的应用前景。 E R M T E A公司用 T r nl ef o D制 e—成了 3 W的超声换能器，于废旧轮胎破碎；时 k用同还用 T r nl e eo D制成了超声手术刀 I。 f— 】3 3在传感器中的应用 .

致伸缩作动器的设计方法，将其作为振动主动控并制的执行器，得了较好的振动控制效果[。此取

外，江大学的夏春林、凡等研究了 G A在流体浙丁 M伺服元件中的应用[。

5结束语将超磁致伸缩材料应用于机电领域，有利于实现机电一体化。目前看来，磁致伸缩材料的制备超

超磁致伸缩材料除用于驱动之外，利用其磁致

伸缩效应或逆效应还可以制作检测磁场 l电 _ l、流应变 .位移[扭矩 l压力[。、、。、 2、 0。加速 和

已取得重大突破，用研究虽然仍处于起步阶段，应但已取得显著成就，分显示出该类材料的巨大潜力，充 因此，理由相信超磁致伸缩材料将取代电致伸缩有材料成为应用最广泛的功能材料。今后很长一段时期内，电致伸缩材料仍将获得广泛应用，且这两种并智能材料都需从调整成分结构人手加以改进。 今后有必要

不断进行成分调整与掺杂研究，并设计制做更多新的应用器件，断改进材料性能以不

度 _的传感器敏感元件： l等。3 4其它方面应用 .

超磁致伸缩材料的弹性模量随着磁场的改变变

化极大，于这种效应已制成可调谐的声波器件，基如延迟线、波器和振荡器等。可变延迟线用于雷达、滤声纳的相位传感器和计算机的存储元件。多元稀土铁化合物存在一个补偿温度，在此温度下，其热膨胀系数从 5 0突然增大到 15×1~,×1 1 0弹性模量也

克服现有器件的不足，稀土一铁系超磁致伸缩材使料能应用到生物医学工程、地震工程、天文观测等更多的新领域中去。参考文献：l j L go t 1, hs a R v wLtr,1 3 1,0 . 1 evl e a . Pyi l ei e e d c e t s 9,0 59 6 1 Ca E. t .P y.e .B 17,,62 2 l kA. e a,hsR v,925 34 . J r 1

发生锐变，可以通过改变材料的成分或磁场来改并变补偿温度、利用该特性可制作热膨胀检测器件。

4超磁致伸缩材料国内研究开发现状2纪8 0世 0年代中期，京钢铁研究总院开始北进行稀土一铁系超磁致伸缩材料的研究。此后，国

1 Ca E. t 1, S 995,96 3 l kA. e a .u P343 1 l7 . J r 1 J M M s r 0.,r OhI c.Wo so E M .ad 4 c ats D.Po lt n r e c t r hpR a n k ger i . Patl, 9 9, 8 3 7., r l 8 2 9, 5

内其他单位，主要包括中科院北京物理所、金部包冶头稀土研究院、中科院沈阳金属研究所、中科院上海

1 Fb ne Me 1 Po OhIt r hpR r ahM g 5 al dr t . r lt n r k o aeE r an J a a c e Wo s t adTe p11 M D,18, a: 8 . n hiA p.C .A T A 99 Pr 1 29 r J t 1 J M l od i d onSw l a Jns pl ao fa 6 e G ofe,Jh e e,c l oe .A p ctn o rn l iima n tsr t e aly g e t c v J .T r n l o

Di c o t l o o ii o ef o t r t C nr Hy e D e o f

冶金研究所、上海大学、京科技大学和武汉工业大北学等，陆续开腱了这方面的研究。从材料的组成、也 制备、用等方面进行探索，取得一定成果。应并 在该类材料制备方面，内技术已基本达到国国际先进水平，但应用研究则明显落后于西方发达国家。我国作为稀土大国，源优势没有得到充分的资发挥和利用。

dal a el . A t nt nl fHgwy& Pw r rucV vsAJ S EI e aoa O - i a i l nr i h oe p n Cnr s Ehbi[,19 . l t oge& xii n C a s t o J 90 1 Tkh oUa,Tkh oSg a a ee p et f i c 7 aai ri aai ui m .D vl m n o d er J r r y o a r

d v r a eui i t ant tcv a r[ . res v v v s ga a ge sii m ti M] i eo l n gnm o rte e a lFud P w r dtd b Ma d, 9 3 li o e,E i yT. e a 1 9 . e

冶金部钢铁研究总院和中科院声学研究所采用国产超磁致伸缩合金，制出大功率低频声纳 __研 2。 l七一五研究所进行了多边形水声换能器的研究[ 2。 2 J南京航空航天大学的顾仲权、朱金才等研究了磁致伸缩材料作动器在振动主动控制中的应用 I]哈尔 2; 3滨工业大学的盖玉先等研究了以 G A为作动器， M采

【 D r s A uho a e 8 auz .B k,Jm sH.G l e g e o ac J i s od .Hi Pr r ne i h fmM ge sii c a r J .E EA SSs m gz e ant tcv At ts J IE E y e s o r te u o[ t Maai, nl 9l:2l一 2 9 9.

1 E aH. O m r E, aah M e a. a h e ol q i e 9 d , h ua Sh si t M ci t u p d J 1 n oe p wt at m ge s i i c a r e e p e t o n w i a g an t tc v at t - v l m n f e h i n o rte u o D o m ti s b .7 y .3 F

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用人工模糊神经网络控制的超精密机床隔振系

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