磁致伸縮成果

北京科技大學(xué)自20世紀(jì)80年代末開(kāi)始對(duì)稀土超磁致伸縮材料進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)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(chǎng)下具有高的磁致伸縮性能，在40kA /m的磁場(chǎng)下，應(yīng)變值達(dá)到950~1150ppm，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)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(guó)家專利。1999年12月15日由教育部組織的專家委員會(huì)對(duì)該課題“新型低場(chǎng)高性能軸向取向稀土超磁致伸縮材料的研制”進(jìn)行了鑒定。鑒定意見(jiàn)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(chǎng)性能，在80kA/m磁場(chǎng)下的磁致伸縮應(yīng)變值達(dá)到1200~1500ppm，居國(guó)際先進(jìn)水平。軸向取向稀土超磁致伸縮材料的研制在國(guó)內(nèi)外具有重大創(chuàng)新性。

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(guò)去的超聲換能器主要是用壓電陶瓷（PZT）材料來(lái)制造。它僅能制造小功率（≤2．0kW）的超聲波換能器，國(guó)外已用稀土超磁致伸縮材料來(lái)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(guò)程的化學(xué)反應(yīng)。有重大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保效益；用該材料制造的電聲換能器，可用于波動(dòng)采油，可提高油井的產(chǎn)油量達(dá)20%~100%，可促進(jìn)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(dòng)力大，音質(zhì)好，高保真，可使樓板、墻體、桌面、玻璃窗振動(dòng)和發(fā)音，可作水下音樂(lè)、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(dòng)與振動(dòng)控制系統(tǒng)。將一個(gè)咖啡杯人力反噪聲控制器安裝在與引擎推進(jìn)器相連接的部件內(nèi)，使它與噪聲傳感器聯(lián)接，可使運(yùn)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(dòng)與減振器應(yīng)用到運(yùn)載工具，如汽車(chē)等，可使汽車(chē)振動(dòng)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(dòng)器，可用于機(jī)器人、自動(dòng)控制、超精密機(jī)械加工、紅外線、電子束、激光束掃描控制、照相機(jī)快門(mén)、線性電機(jī)、智能機(jī)翼、燃油噴射系統(tǒng)、微型泵、閥門(mén)、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(gè)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的材料，是21世紀(jì)戰(zhàn)略性功能材料。

由于磁致伸縮材料在磁場(chǎng)作用下，其長(zhǎng)度發(fā)生變化，可發(fā)生位移而做功或在交變磁場(chǎng)作用可發(fā)生反復(fù)伸張與縮短，從而產(chǎn)生振動(dòng)或聲波，這種材料可將電磁能（或電磁信息）轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或聲能（或機(jī)械位移信息或聲信息），相反也可以將機(jī)械能（或機(jī)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(cè)與開(kāi)發(fā)技術(shù)、微位移驅(qū)動(dòng)、減振與防振、減噪與防噪系統(tǒng)、智能機(jī)翼、機(jī)器人、自動(dòng)化技術(shù)、燃油噴射技術(shù)、閥門(mén)、泵、波動(dòng)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(dòng)通訊、海水溫度、海流、海底地形地貌的探測(cè)就需要聲納系統(tǒng)。聲納是一個(gè)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(shí)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(guò)去聲納的水聲發(fā)射換能器主要用壓電陶瓷材料（PZT）來(lái)制造。這種材料制造的水聲換能器的頻率高（20kHz以上），同時(shí)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(dá)國(guó)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(jí)約220dB）的聲納用或水聲對(duì)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(cè)更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，同時(shí)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(duì)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(duì)發(fā)展聲納技術(shù)、水聲對(duì)抗技術(shù)、海洋開(kāi)發(fā)與探測(cè)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(lái)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(cè)量系統(tǒng) A TOC （The Acoustic Thermometry of Ocean climate）的水聲發(fā)射換能器，其信號(hào)可發(fā)射到1000km的范圍，可用于測(cè)量海水溫度和海流的分布圖。

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(diǎn)：磁致伸縮應(yīng)變?chǔ)吮燃?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(shí)產(chǎn)生的推力很大，直徑約l0mm的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸縮時(shí)產(chǎn)生約200公斤的推力。能量轉(zhuǎn)換效率（用機(jī)電耦合系數(shù) K33表示）高達(dá)70%，而 Ni基合金僅有16%，PZT材料僅有40~60%；其彈性模量隨磁場(chǎng)而變化，可調(diào)控；響應(yīng)時(shí)間（由施加磁場(chǎng)到產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)怂璧臅r(shí)間稱響應(yīng)時(shí)間）僅百萬(wàn)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(shí)間而變化，無(wú)疲勞，無(wú)過(guò)熱失效問(wèn)題。

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(lái)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(guò)小，它們沒(méi)有得到推廣應(yīng)用，后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)了電致伸縮材料，如（ Pb， Zr，Ti）C03材料，（簡(jiǎn)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(jiǎn)稱 T b－Dy— Fe材料）的λ達(dá)到1500~2000ppm，比前兩類材料的λ大1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此稱為稀土超磁致伸縮材料。

另外有些物質(zhì)（多數(shù)是金屬氧化物）在電場(chǎng)作用下，其尺寸也伸長(zhǎng)（或縮短），去掉外電場(chǎng)后又恢復(fù)其原來(lái)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(lái)描述，，?為原來(lái)的長(zhǎng)度，為物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下伸長(zhǎng)（或縮短）后的長(zhǎng)度。一般鐵磁性物質(zhì)的λ很小，約百萬(wàn)分之一，通常用 p pm代表。例如金屬鎳（Ni）的λ約40ppm。 ?

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(guó)外專家預(yù)測(cè)，該材料的發(fā)展與 N dFeB的發(fā)展極為相似，預(yù)計(jì)到2010年的銷售額可以達(dá)到18億美元。

磁致伸縮效應(yīng)可用來(lái)設(shè)計(jì)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(cè)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(dá)0.3%~0.5%。磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器可以測(cè)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(jí)。高磁致伸縮系數(shù)(≥10-3量級(jí))的材料也被開(kāi)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(jì)理論和設(shè)計(jì)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(jì)方法及各型彎張換能器的特點(diǎn);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(shí)沿棒軸徑向均勻切割最小份數(shù)的計(jì)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(jì)理論，并對(duì)研制出的VII和Tonpilz型換能器的性能作了測(cè)試和分析。《稀土超磁致伸縮換能器》中先后用到了ALGOR、SYSNOISE和ANSYS這三種有限元計(jì)算軟件，在相關(guān)部分都相應(yīng)作了簡(jiǎn)單介紹，并在第9章中重點(diǎn)介紹了ANSYS在設(shè)計(jì)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。