磁致伸縮

由于磁致伸縮材料在磁場作用下，其長度發(fā)生變化，可發(fā)生位移而做功或在交變磁場作用可發(fā)生反復(fù)伸張與縮短，從而產(chǎn)生振動或聲波，這種材料可將電磁能（或電磁信息）轉(zhuǎn)換成機械能或聲能（或機械位移信息或聲信息），相反也可以將機械能（或機械位移與信息）。轉(zhuǎn)換成電磁能（或電磁信息），它是重要的能量與信息轉(zhuǎn)換功能材料。它在聲納的水聲換能器技術(shù)，電聲換能器技術(shù)、海洋探測與開發(fā)技術(shù)、微位移驅(qū)動、減振與防振、減噪與防噪系統(tǒng)、智能機翼、機器人、自動化技術(shù)、燃油噴射技術(shù)、閥門、泵、波動采油等高技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

海洋占地球面積的70%，海洋是人類生命的源泉，但是人類對海洋的大部分還缺乏了解。21世紀(jì)是海洋世紀(jì)，人類的生活、科學(xué)實驗和資源的獲及將逐漸的從山陸地轉(zhuǎn)移到海洋。而艦艇水下移動通訊、海水溫度、海流、海底地形地貌的探測就需要聲納系統(tǒng)。聲納是一個龐大的系統(tǒng)，它包括聲發(fā)射系統(tǒng)，反射聲的接收系統(tǒng)，將回聲信息轉(zhuǎn)變成電信息與圖像，以及圖像識別系統(tǒng)等。其中聲發(fā)射系統(tǒng)中的水聲發(fā)射換能器及其材料是關(guān)鍵技術(shù)之一。過去聲納的水聲發(fā)射換能器主要用壓電陶瓷材料（PZT）來制造。這種材料制造的水聲換能器的頻率高（20kHz以上），同時發(fā)射功率小，體積大，笨重。另外隨艦艇隱身技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代艦艇可吸收頻率在3．0kHz以上的聲波，起到隱身的作用。各工業(yè)發(fā)達國家都正在大力發(fā)展低頻（頻率為幾十至2000赫茲），大功率（聲源級約220dB）的聲納用或水聲對抗用發(fā)射水聲換能器，并已用于裝備海軍。低頻可打破敵方艦艇的隱身技術(shù)，大功率可探測更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，同時體積小，重量輕，可提高艦艇的作戰(zhàn)能力。低頻大功率是聲納用和水聲對抗用發(fā)射水聲換能器今后的發(fā)展方向。而制造低頻大功率水聲發(fā)射換能器的關(guān)鍵材料是稀土超磁致伸縮材料。發(fā)展稀土超磁致伸縮材料對發(fā)展聲納技術(shù)、水聲對抗技術(shù)、海洋開發(fā)與探測技術(shù)將起到關(guān)鍵性作用。日本已用稀土超磁致伸縮材料來制造海洋聲學(xué)斷層分析系統(tǒng) O AT （Ocean Acoustic Topography）和海洋氣候聲學(xué)溫度測量系統(tǒng) A TOC （The Acoustic Thermometry of Ocean climate）的水聲發(fā)射換能器，其信號可發(fā)射到1000km的范圍，可用于測量海水溫度和海流的分布圖。

另外有些物質(zhì)（多數(shù)是金屬氧化物）在電場作用下，其尺寸也伸長（或縮短），去掉外電場后又恢復(fù)其原來的尺寸，這種現(xiàn)象稱為電致伸縮現(xiàn)象。磁致伸縮效應(yīng)可用磁致伸縮系數(shù)（或應(yīng)變）來描述，，?為原來的長度，為物質(zhì)在外磁場作用下伸長（或縮短）后的長度。一般鐵磁性物質(zhì)的λ很小，約百萬分之一，通常用 p pm代表。例如金屬鎳（Ni）的λ約40ppm。 ?

和傳統(tǒng)超磁致伸縮材料及壓電陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸縮材料是佼佼者，它具有下列優(yōu)點：磁致伸縮應(yīng)變λ比純 N i大50倍，比PZT材料大5—25倍，比純 N i和 Ni－Co合金高400~800倍；磁致伸縮應(yīng)變時產(chǎn)生的推力很大，直徑約l0mm的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸縮時產(chǎn)生約200公斤的推力。能量轉(zhuǎn)換效率（用機電耦合系數(shù) K33表示）高達70%，而 Ni基合金僅有16%，PZT材料僅有40~60%；其彈性模量隨磁場而變化，可調(diào)控；響應(yīng)時間（由施加磁場到產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變λ所需的時間稱響應(yīng)時間）僅百萬分之一秒，比人的思維還快；頻率特性好，可在低頻率（幾十至1000赫茲）下工作，工作頻帶寬；穩(wěn)定性好，可靠性高，其磁致伸縮性能不隨時間而變化，無疲勞，無過熱失效問題。

該材料在軍、民兩用高技術(shù)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，據(jù)國外專家預(yù)測，該材料的發(fā)展與 N dFeB的發(fā)展極為相似，預(yù)計到2010年的銷售額可以達到18億美元。

北京科技大學(xué)自20世紀(jì)80年代末開始對稀土超磁致伸縮材料進行研究。經(jīng)過近十年的研究，現(xiàn)已掌握了材料的成分、添加元素、制造工藝、熱處理等關(guān)鍵技術(shù)。特別是我們自己發(fā)明創(chuàng)造的生產(chǎn)軸向取向材料的技術(shù)，使制造的產(chǎn)品在低磁場下具有高的磁致伸縮性能，在40kA /m的磁場下，應(yīng)變值達到950~1150ppm，達到國際先進水平，（目前其它研究和生產(chǎn)單位都是制造軸向取向的棒材）。這種具有軸向取向的稀土超磁致伸縮材料及制造工藝已獲得國家專利。1999年12月15日由教育部組織的專家委員會對該課題“新型低場高性能軸向取向稀土超磁致伸縮材料的研制”進行了鑒定。鑒定意見認(rèn)為：該課題所研制的軸向取向稀土超磁致伸縮材料具有優(yōu)良的低場性能，在80kA/m磁場下的磁致伸縮應(yīng)變值達到1200~1500ppm，居國際先進水平。軸向取向稀土超磁致伸縮材料的研制在國內(nèi)外具有重大創(chuàng)新性。

自從發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)后，人們就一直想利用這一物理效應(yīng)來制造有用的功能器件與設(shè)備。為此人們研究和發(fā)展了一系列磁致伸縮材料，主要有三大類：即：磁致伸縮的金屬與合金，如鎳（Ni）基合金（Ni， Ni－Co合金， Ni－Co－Cr合金）和鐵基合金（如 Fe－Ni合金， Fe－Al合金， Fe－ Co－V合金等）和鐵氧體磁致伸縮材料，如 N i－Co和 Ni－Co－Cu鐵氧體材料等。這兩種稱為傳統(tǒng)磁致伸縮材料，其λ值（在20—80ppm之間）過小，它們沒有得到推廣應(yīng)用，后來人們發(fā)現(xiàn)了電致伸縮材料，如（ Pb， Zr，Ti）C03材料，（簡稱為 P ZT或稱壓電陶瓷材料），其電致伸縮系數(shù)比金屬與合金的大約200~400ppm，它很快得到廣泛應(yīng)用；第三大類是近期發(fā)展的稀土金屬間化合物磁致伸縮材料，例如以（ Tb，Dy）Fe2化合物為基體的合金

Tbo0．3Dy0．7Fe1．95材料（下面簡稱 T b－Dy— Fe材料）的λ達到1500~2000ppm，比前兩類材料的λ大1~2個數(shù)量級，因此稱為稀土超磁致伸縮材料。

稀土超磁致伸縮材料在聲頻和超聲技術(shù)方面也有廣闊的應(yīng)用前景。例如用該材料可制造超大功率超聲換能器。過去的超聲換能器主要是用壓電陶瓷（PZT）材料來制造。它僅能制造小功率（≤2．0kW）的超聲波換能器，國外已用稀土超磁致伸縮材料來制造出超大功率（6—25kW）的超聲波換能器。超大功率超聲波技術(shù)可產(chǎn)生低功率超聲技術(shù)所不能產(chǎn)生的新物理效應(yīng)和新的用途，如它可使廢舊輪胎脫硫再生，可使農(nóng)作物大幅度增產(chǎn)，可加速化工過程的化學(xué)反應(yīng)。有重大的經(jīng)濟、社會和環(huán)保效益；用該材料制造的電聲換能器，可用于波動采油，可提高油井的產(chǎn)油量達20%~100%，可促進石油工業(yè)的發(fā)展；用該材料制造的薄型（平板型）喇叭，振動力大，音質(zhì)好，高保真，可使樓板、墻體、桌面、玻璃窗振動和發(fā)音，可作水下音樂、水下芭蕾伴舞的喇叭等。

此外，用該材料可制造反噪聲與噪聲控制，反振動與振動控制系統(tǒng)。將一個咖啡杯人力反噪聲控制器安裝在與引擎推進器相連接的部件內(nèi)，使它與噪聲傳感器聯(lián)接，可使運載工具的噪聲降低到使旅客感到舒服的程度（≤20dB）以下。反振動與減振器應(yīng)用到運載工具，如汽車等，可使汽車振動減少到令人舒服的程度。

用稀土超磁致伸縮材料制造的微位移驅(qū)動器，可用于機器人、自動控制、超精密機械加工、紅外線、電子束、激光束掃描控制、照相機快門、線性電機、智能機翼、燃油噴射系統(tǒng)、微型泵、閥門、傳感器等等。

有專家認(rèn)為，稀土超磁致伸縮材料的應(yīng)用可誘發(fā)一系列的新技術(shù)，新設(shè)備，新工藝。它是可提高一個國家競爭力的材料，是21世紀(jì)戰(zhàn)略性功能材料。

磁致伸縮效應(yīng)可用來設(shè)計制作應(yīng)力傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器。利用磁致伸縮系數(shù)大的硅鋼片制取的應(yīng)力傳感器多用于1t以上重量的檢測中。其輸入應(yīng)力與輸出電壓成正比，一般精度為1%~2%，高的可達0.3%~0.5%。磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器可以測出小扭角下的轉(zhuǎn)矩。

磁致伸縮用的材料較多，主要有鎳、鐵、鈷、鋁類合金與鎳銅鈷鐵氧陶瓷，其磁致伸縮系數(shù)為10-5量級。高磁致伸縮系數(shù)(≥10-3量級)的材料也被開發(fā)出了，如鋱鐵金屬化合物--TbFe2、TbFe3和非晶體磁致伸縮材料--金屬玻璃等。

《稀土超磁致伸縮換能器》是一本介紹稀土超磁致伸縮大功率換能器的設(shè)計理論和設(shè)計方法的專著?！断⊥脸胖律炜s換能器》共分9章。第1章是緒論，主要介紹了常用的換能器材料、現(xiàn)代彎張換能器的設(shè)計方法及各型彎張換能器的特點;第2章分析了稀土超磁致伸縮材料的工作特性，導(dǎo)出了使稀土棒高效工作時沿棒軸徑向均勻切割最小份數(shù)的計算公式和等效電路;第3~2章，論述了稀土超磁致伸縮大功率換能器的設(shè)計理論，并對研制出的VII和Tonpilz型換能器的性能作了測試和分析?！断⊥脸胖律炜s換能器》中先后用到了ALGOR、SYSNOISE和ANSYS這三種有限元計算軟件，在相關(guān)部分都相應(yīng)作了簡單介紹，并在第9章中重點介紹了ANSYS在設(shè)計換能器中的應(yīng)用。

《稀土超磁致伸縮換能器》可供從事聲換能器研究工作的科技工作者、專業(yè)技術(shù)人員以及大專院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。