供稿|喬 祎, 李紀恒, 朱 潔, 包曉倩, 高學緒 / QIAO Yi, LI Ji-heng, ZHU Jie, BAO Xiao-qian, GAO Xue-xu

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磁致伸縮材料是一種重要的功能材料,當改變外磁場時磁致伸縮材料的長度及體積均會發(fā)生變化,反之當材料發(fā)生變形或受力時材料內(nèi)部的磁場也會隨之發(fā)生變化.它具有電磁能和機械能相互轉(zhuǎn)換的功能,是聲吶換能器的重要材料,在大橋橋梁減震、油井探測、海洋探測與開發(fā)、高精度數(shù)字機床、微位移傳感器、高保真音響等方面有著廣泛的用途.

特性

磁致伸縮材料(圖1)的重要特點是具有磁致伸縮效應--即磁體在外磁場中被磁化時,其長度及體積均發(fā)生變化的現(xiàn)象[1],它由焦爾發(fā)現(xiàn),所以又稱焦爾效應.稍后,維拉里又發(fā)現(xiàn)了磁致伸縮的逆效應,即鐵磁體在發(fā)生變形或受到應力的作用時會引起材料磁場發(fā)生變化的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象也稱為鐵磁體的壓磁現(xiàn)象.

圖1 磁致伸縮材料

磁致伸縮效應可分為線磁致伸縮和體積磁致伸縮,其中長度的變化稱為線性磁致伸縮,體積的變化稱為體積磁致伸縮.在絕大部分磁性體中,體積磁致伸縮很小,實際的用途也很少,因此大量的研究工作和磁致伸縮材料的應用主要集中在線磁致伸縮領域,因而通常討論的磁致伸縮是指線磁致伸縮.使用材料長度的變化量與原長度的比值λ,也就是磁致伸縮系數(shù)來表示磁致伸縮量的大小,它的單位是ppm(10-6),即百萬分之一,伸縮范圍通常為幾十到幾千ppm.磁致伸縮量雖然用肉眼無法觀察到,但卻在換能器和傳感器上有著強大的用途.圖2是磁致伸縮示意圖.

圖2 磁致伸縮示意圖

分類

自從發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的磁致伸縮效應后,人們就一直想利用這一物理效應來制造有用的功能器件與設備.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:(1)傳統(tǒng)磁致伸縮材料,包括磁致伸縮的鎳基合金、鐵基合金和鐵氧體,其磁致伸縮系數(shù)λ值較小,使得它們沒有得到推廣應用;(2)20世紀末發(fā)展的以Tb-Dy-Fe和SmFe材料為代表的稀土金屬間化合物超磁致伸縮材料[2], 其磁致伸縮系數(shù)比傳統(tǒng)磁致伸縮材料大1~2個數(shù)量級,因此稱為稀土超磁致伸縮材料;(3)2000年美國的Guruswamy S等人[3]報道了一種由Fe和Ga組成的二元合金具有較高的λ,這是一種新型的磁致伸縮材料.表1示出了這幾種材料的分類和特點.

表1 磁致伸縮材料的分類

應用

磁致伸縮材料具有電磁能與機械能的轉(zhuǎn)換功能,是重要的能量與信息轉(zhuǎn)換功能材料,特別是聲納換能器的重要材料[4-5],在海洋探測與開發(fā)技術、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、燃油噴射技術微傳感器、微振動器及微馬達等工程領域中有著廣泛的應用前景,在國民經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)中起著越來越重要的作用.

在水下聲音的傳播速度是1433 m/s,是在空氣中傳播速度的4.3倍,聲訊號是人們進行水下通訊探測偵察和遙控的主要媒介.發(fā)射和接收聲波的聲納裝置,其核心元件一般由壓電陶瓷或磁致伸縮材料制成.圖3為聲納原理示意圖.

圖3 聲納原理圖

發(fā)展稀土超磁致伸縮材料對發(fā)展聲納技術、海洋開發(fā)與探測技術將起到關鍵性作用.Tb-Dy-Fe材料與壓電陶瓷PZT相比有以下幾個優(yōu)點:輸出功率大、工作溫度高、低電壓驅(qū)動、滯后小、不老化、響應頻率低、低頻信號在水下衰減小,傳送距離遠等,從而使得Tb-Dy-Fe已經(jīng)在聲納系統(tǒng)首先得到應用.由于聲納對潛艇的重要性,美國的磁致伸縮材料的研究由美國海軍武器研究中心直接參與并控制,他們在磁致伸縮材料研究和軍事應用方面都處于領先地位.Fe-Ga合金具有優(yōu)異的的力學性能使得用Fe-Ga合金制造的聲納裝置在承受水下沖擊和爆炸性能方面具有得天獨厚的優(yōu)勢.

用超磁致伸縮材料制成的超聲波發(fā)生器在捕魚、海底測繪、建筑和材料的無損探傷方面有很好的應用前景[6-8].瑞典ABB公司和挪威一家公司合作開發(fā)油井測,海底測繪用的Terfenol-D聲納,將Terfenol-D的優(yōu)良的低頻聲學特性和壓電陶瓷的高頻特性相結(jié)合,可以制作出性能更好的聲振動傳感器[9],其頻響寬,單向性好.

由于Fe-Ga合金具有良好的可加工性、韌性和較大的抗拉強度,可以加工成所需的各種形狀,只需要施加較低的磁場便可使Fe-Ga合金材料產(chǎn)生變形[10-11],使得微型振動器的設計得以實現(xiàn).這種振動器具有如下優(yōu)點:①良好的力學性能;②結(jié)構簡單且易于裝配;③驅(qū)動線圈電阻小,驅(qū)動電壓低;④渦流損耗小;⑤具有較大的工作溫度范圍.圖4是微振動器的示意圖.

圖4 微型振動器的設計原理圖

超磁致伸縮材料不僅能輸出較大的應力而且響應速度快,因此可以用于高能快速微型機械的設計,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.

磁致伸縮材料可以用來做力學傳感器,測量靜應力、振動應力、扭轉(zhuǎn)力和加速度等物理量.超磁棒可用于開發(fā)宏觀的力傳感器或壓力傳感器.日本東芝公司發(fā)明了用磁致伸縮薄膜做的動態(tài)范圍大、響應快的扭矩傳感器,其靈敏度比傳統(tǒng)金屬電阻薄膜制成扭轉(zhuǎn)應變計高10倍.利用逆磁致伸縮效應(機械能反轉(zhuǎn)為磁能)原理,可為馬達和精密儀器設計阻尼減震系統(tǒng).

圖5 微位移傳感器

利用磁致伸縮材料發(fā)射機械彈性波,機械波在被檢測件內(nèi)傳播遇到缺陷時部分被反射回檢測點從而被傳感器檢測到.這種技術可以用來檢測斜拉大橋橋梁鋼索,工業(yè)管道等[12].圖6為磁致伸縮導波檢測器.

圖6 磁致伸縮導波檢測器

在微觀領域里,薄膜和微機電系統(tǒng)結(jié)構制備技術顯著地減小了超磁致傳感器的尺寸和成本,提高了超磁致傳感器的靈敏度和魯棒性.特別是Fe-Ga 具有較強的韌性,能夠在硅襯底上外延沉積使得它非常適合在微觀傳感器領域中的應用[13].超磁致Fe-Ga合金納米線在小型聲傳感器中同樣具有廣闊的應用前景.如圖7所示,它能通過提高縱橫比來外延分解聲波信號的各種頻譜,其靈敏度可以控制在較小的頻帶內(nèi).

圖7 應用Fe-Ga合金納米線技術的聲波信號頻譜外延分解原理圖

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