稀土超磁致伸缩材料_应用与器件

2004年4月

第33卷第2期河北工业大学学报April2004Vol.33No.2JOURNALOFHEBEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

文章编号：1007-2373(2004)02-0016-07稀土超磁致伸缩材料、应用与器件

王博文，闫荣格

（河北工业大学磁技术与磁材料研究中心，天津300130）

摘要：介绍了稀土

引言

稀土超磁致伸缩材料是继稀土永磁、稀土发光、稀土高温超导材料之后兴起的又一种新型稀土功能材料．其应用领域非常广泛，从有源减振、燃料喷射系统、液体和阀门控制、微定位到致动器、振子和声纳，对潜艇、精密控制系统和机器人等高技术的发展都具有重要意义．近年来，稀土超磁致伸缩材料的研究正在成为一个重要的研究领域[1，2]．目前，世界上许多国家都投入大量的人力、物力开展超磁致伸缩材料与器件的研究和开发工作．如美国的ETREMA公司，分别于1993、

1997年和2001年3次扩大生产规模，并建立了材料与器件研究中心．中国稀土资源丰富，原材料价格便宜，售价远比国外价格低，具有很强的竞争能力．研究超磁致伸缩材料的应用不仅可以获得巨大的经济效益，而且对推动我国稀土事业的发展将产生深远的影响．本文在介绍稀土超磁致伸缩材料特性的基础上，介绍了它在换能器、致动器和传感器领域的应用，最后介绍了课题组研制的超磁致伸缩精密致动器的工作原理、传递函数、结构分析以及开环特性实验．

46×10-6．60年代发现了稀土金属Tb、Dy、Sm等在低温下有很高的磁致伸缩性能

TbFe2，DyFe2，SmFe2等具有高于室温的居里温度，同时具有很高的磁致伸缩性能

各向异性很大，即需要很大的磁场才能驱动，这就限制了该材料的应用

图[6~11][4，5][1，2]．为了提高该材料的使用温度，70年代初又研究了这些稀土金属与Fe，Co，Ni等过渡族金属的金属间化合物，发现[3，4]．但是它们的磁晶．为此，人们对稀土合金相、稀土２[12~21]、123[23]、2

Fe2具有很好的磁致伸缩性能和低的磁晶各向异性．并发现该材料制备成单晶

或晶粒取向的多晶后在压应力作用下在低磁场中磁致伸缩系数大大提高，出现了“跳跃效应”，使得这种材料的实际应用成为可能，因而引起了产业界对该材料及应用的广泛重视．这种材料的磁致伸缩系数

收稿日期：2004-03-28

基金项目：国家自然科学基金资助项目（50371025）；河北省自然科学基金资助项目（503055）

作者简介：王博文（1956-），男（汉族），教授，博士生导师．

稀土超磁致伸缩材料、应用与器件17

为1500~2000×10-6，为传统磁致伸缩材料的几十倍到上百倍，所以称为超磁致伸缩材料(GiantMagnetostrictiveMaterial，简称GMM)．

材料磁致伸缩的大小常用应变）

来描述．稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩

随偏置磁场的变化曲线．可见动态磁致伸缩

33在较低的偏置磁场下取得最大值．而沿[]方向的动态磁

33

致伸缩

小[28，29]33变换比较平缓，但数值较．图4示出了Tb0.3Dy0.7Fe2单晶体在（0）

晶面观察的磁畴结构，当磁场

随外磁场

的变化曲线图2稀土超磁致伸缩材料的不同晶体方向的磁致伸

缩

图3超磁致伸缩单晶体沿不同晶体方向的动态

磁致

伸缩=640kA/m、沿[2]方向，粉纹沿[111]方向排

列

超磁致伸缩材料的应用

由于超磁致伸缩材料应变值高、能量密度大、响应快、精度高、频带宽且具有智能响应，它的应用

18河北工业大学学报2004年第2期使得电（磁）~机械（声）转换产品产生了巨大的突破性进

展．超磁致伸缩材料在军事方面的应用是这种材料最早的用

途之一，用这种材料制作的应用于军事和海洋工程的水声声

纳显示出目前世界上最好的性能．而用于飞机机翼控制可使

反映灵敏度、可靠性大幅度提高．在工业方面的应用包括各

种精密控制和超声应用，涉及到机械工业、电子工业、石油

业、纺织业、医疗业等方面．在高精密度控制方面的应用，

如超精密机床、机器人、主动减振系统、线性马达、高速阀

门、伺服阀、汽车燃油电喷阀、超声清洗、打孔、破碎、超

声医疗器具、各种精密仪器、计算机光盘驱动器、打印机等．

在民用方面，主要应用领域有：照相机快门、编织驱动器、

助听器、高保真喇叭、超声洗衣机、家用机器人等．

声换能器中的应用

电磁波在液体和固体中衰减很快因而无法应用．声信号在液体和固体中衰减较小，因而广泛用于液体与固体中的探测、通信、侦察等．在水中发射声信号的器件称为水声换能器，是声纳的核心部分．水声换能器发射的声波频率越低，声信号在水中的衰减就越小，传送的距离越远，同时频率低受潜艇涂层噪音的干扰也较小．为了提高声信号的分辨率，还要求换能器具有较宽的频带响应和多指向性．由于超磁致伸缩材料具有应变大、低频响应好、频带宽等特点，是制作大功率、低频、宽频带水声换能器的理想材料．因而超磁致伸缩材料的最早应用是作为水声换能器的核心材料．为了改善水声换能器单指向性的特点，人们对活塞型水声换能器进行了改进，研制了环型的超磁致伸缩水声换能器[1]．这种结构的水声换能器具有4个超磁致伸缩棒，线圈中的驱动电流 …… 此处隐藏：6111字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……