新型功能材料--磁致伸缩材料

供稿|乔 祎, 李纪恒, 朱 洁, 包晓倩, 高学绪 / QIAO Yi, LI Ji-heng, ZHU Jie, BAO Xiao-qian, GAO Xue-xu

内容导读

磁致伸缩材料是一种重要的功能材料,当改变外磁场时磁致伸缩材料的长度及体积均会发生变化,反之当材料发生变形或受力时材料内部的磁场也会随之发生变化.它具有电磁能和机械能相互转换的功能,是声呐换能器的重要材料,在大桥桥梁减震、油井探测、海洋探测与开发、高精度数字机床、微位移传感器、高保真音响等方面有着广泛的用途.

特性

磁致伸缩材料(图1)的重要特点是具有磁致伸缩效应--即磁体在外磁场中被磁化时,其长度及体积均发生变化的现象[1],它由焦尔发现,所以又称焦尔效应.稍后,维拉里又发现了磁致伸缩的逆效应,即铁磁体在发生变形或受到应力的作用时会引起材料磁场发生变化的现象,这种现象也称为铁磁体的压磁现象.

图1 磁致伸缩材料

磁致伸缩效应可分为线磁致伸缩和体积磁致伸缩,其中长度的变化称为线性磁致伸缩,体积的变化称为体积磁致伸缩.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,因此大量的研究工作和磁致伸缩材料的应用主要集中在线磁致伸缩领域,因而通常讨论的磁致伸缩是指线磁致伸缩.使用材料长度的变化量与原长度的比值λ,也就是磁致伸缩系数来表示磁致伸缩量的大小,它的单位是ppm(10-6),即百万分之一,伸缩范围通常为几十到几千ppm.磁致伸缩量虽然用肉眼无法观察到,但却在换能器和传感器上有着强大的用途.图2是磁致伸缩示意图.

图2 磁致伸缩示意图

分类

自从发现物质的磁致伸缩效应后,人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能器件与设备.为此人们研究和发展了一系列磁致伸缩材料,主要有三大类:(1)传统磁致伸缩材料,包括磁致伸缩的镍基合金、铁基合金和铁氧体,其磁致伸缩系数λ值较小,使得它们没有得到推广应用;(2)20世纪末发展的以Tb-Dy-Fe和SmFe材料为代表的稀土金属间化合物超磁致伸缩材料[2], 其磁致伸缩系数比传统磁致伸缩材料大1~2个数量级,因此称为稀土超磁致伸缩材料;(3)2000年美国的Guruswamy S等人[3]报道了一种由Fe和Ga组成的二元合金具有较高的λ,这是一种新型的磁致伸缩材料.表1示出了这几种材料的分类和特点.

表1 磁致伸缩材料的分类

应用

磁致伸缩材料具有电磁能与机械能的转换功能,是重要的能量与信息转换功能材料,特别是声纳换能器的重要材料[4-5],在海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术微传感器、微振动器及微马达等工程领域中有着广泛的应用前景,在国民经济和工业生产中起着越来越重要的作用.

在水下声音的传播速度是1433 m/s,是在空气中传播速度的4.3倍,声讯号是人们进行水下通讯探测侦察和遥控的主要媒介.发射和接收声波的声纳装置,其核心元件一般由压电陶瓷或磁致伸缩材料制成.图3为声纳原理示意图.

图3 声纳原理图

发展稀土超磁致伸缩材料对发展声纳技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用.Tb-Dy-Fe材料与压电陶瓷PZT相比有以下几个优点:输出功率大、工作温度高、低电压驱动、滞后小、不老化、响应频率低、低频信号在水下衰减小,传送距离远等,从而使得Tb-Dy-Fe已经在声纳系统首先得到应用.由于声纳对潜艇的重要性,美国的磁致伸缩材料的研究由美国海军武器研究中心直接参与并控制,他们在磁致伸缩材料研究和军事应用方面都处于领先地位.Fe-Ga合金具有优异的的力学性能使得用Fe-Ga合金制造的声纳装置在承受水下冲击和爆炸性能方面具有得天独厚的优势.

用超磁致伸缩材料制成的超声波发生器在捕鱼、海底测绘、建筑和材料的无损探伤方面有很好的应用前景[6-8].瑞典ABB公司和挪威一家公司合作开发油井测,海底测绘用的Terfenol-D声纳,将Terfenol-D的优良的低频声学特性和压电陶瓷的高频特性相结合,可以制作出性能更好的声振动传感器[9],其频响宽,单向性好.

由于Fe-Ga合金具有良好的可加工性、韧性和较大的抗拉强度,可以加工成所需的各种形状,只需要施加较低的磁场便可使Fe-Ga合金材料产生变形[10-11],使得微型振动器的设计得以实现.这种振动器具有如下优点:①良好的力学性能;②结构简单且易于装配;③驱动线圈电阻小,驱动电压低;④涡流损耗小;⑤具有较大的工作温度范围.图4是微振动器的示意图.

图4 微型振动器的设计原理图

超磁致伸缩材料不仅能输出较大的应力而且响应速度快,因此可以用于高能快速微型机械的设计,用稀土超磁致伸缩材料制造的微位移驱动器,可用于机器人、自动控制、超精密机械加工、红外线、电子束、激光束扫描控制、照相机快门、线性电机、智能机翼、燃油喷射系统、微型泵、阀门、传感器等.

磁致伸缩材料可以用来做力学传感器,测量静应力、振动应力、扭转力和加速度等物理量.超磁棒可用于开发宏观的力传感器或压力传感器.日本东芝公司发明了用磁致伸缩薄膜做的动态范围大、响应快的扭矩传感器,其灵敏度比传统金属电阻薄膜制成扭转应变计高10倍.利用逆磁致伸缩效应(机械能反转为磁能)原理,可为马达和精密仪器设计阻尼减震系统.

图5 微位移传感器

利用磁致伸缩材料发射机械弹性波,机械波在被检测件内传播遇到缺陷时部分被反射回检测点从而被传感器检测到.这种技术可以用来检测斜拉大桥桥梁钢索,工业管道等[12].图6为磁致伸缩导波检测器.

图6 磁致伸缩导波检测器

在微观领域里,薄膜和微机电系统结构制备技术显著地减小了超磁致传感器的尺寸和成本,提高了超磁致传感器的灵敏度和鲁棒性.特别是Fe-Ga 具有较强的韧性,能够在硅衬底上外延沉积使得它非常适合在微观传感器领域中的应用[13].超磁致Fe-Ga合金纳米线在小型声传感器中同样具有广阔的应用前景.如图7所示,它能通过提高纵横比来外延分解声波信号的各种频谱,其灵敏度可以控制在较小的频带内.

图7 应用Fe-Ga合金纳米线技术的声波信号频谱外延分解原理图

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