超磁致伸縮材料的研究與應(yīng)用

超磁致伸縮材料的研究與應(yīng)用

作為一種新型有效的磁體轉(zhuǎn)移材料，陣列馬可卡因材料（pmm）是20世紀(jì)70年代初發(fā)現(xiàn)的三維稀土鐵化合物，用于加熱和低磁層下的磁速擴(kuò)展系數(shù)。典型材料為txey1-xfer2-y。式中x為Tb/Dy之比,y為R/Fe之比,x一般為0.27～0.35,y為0.1～0.05。這種三元稀土合金材料已實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn),典型商品牌號(hào)為Terfenol-D(美國(guó)的EdgeTechnologies公司)或Magmek86(瑞典的FeredynAB公司),代表成分為Tb0.27Dy0.73Fe1.93。繼美國(guó)之后,瑞典、日本、英國(guó)等也進(jìn)行了這方面的研究。目前,國(guó)際上處于領(lǐng)先地位的有美國(guó)的EdgeTechnologies公司、瑞典的FeredynAB公司、日本的住友輕金屬公司、英國(guó)的REP公司等。我國(guó)作為稀土大國(guó),開(kāi)展這方面的研究較晚,但進(jìn)展較為迅速。北京科技大學(xué)、北京有色金屬研究總院、包頭稀土研究所、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所和遼寧新城稀土壓磁材料有限公司等單位都在從事該材料的研究,其主要性能指標(biāo)都接近或已達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的水平。與壓電材料(PZT)及傳統(tǒng)的磁致伸縮材料Ni、Co等相比,超磁致伸縮材料具有獨(dú)特的性能:在室溫下的應(yīng)變值很大(1.5×10-3～2.0×10-3),是鎳的40～50倍,是壓電陶瓷的5～8倍;能量密度高(14000～25000J/m3),是鎳的400～500倍,是壓電陶瓷的10～14倍;機(jī)電耦合系數(shù)大;響應(yīng)速度快(達(dá)到μs級(jí));輸出力大,可達(dá)220～880N。數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由于超磁致伸縮材料的上述優(yōu)良性能,因而在許多領(lǐng)域,尤其是在機(jī)電工程中的應(yīng)用前景良好。1超磁膨脹執(zhí)行器的應(yīng)用研究1.1terfenol-d換能器以往的海軍聲納大多采用壓電陶瓷PZT作為換能器材料,需要幾千伏的驅(qū)動(dòng)高壓,尺寸大、頻帶窄,且不能在低頻下使用。而深海長(zhǎng)距離目標(biāo)探測(cè)中需要低頻技術(shù),在低頻領(lǐng)域,超磁致伸縮材料的各項(xiàng)指標(biāo)(大的磁致伸縮量,低的楊式彈性模量,比一般金屬軟)均比傳統(tǒng)的有源材料做成的換能器好,因此,它最早由美國(guó)海軍部門應(yīng)用于低頻聲納系統(tǒng)中。國(guó)際上最先使用的Terfenol-D換能器是一種內(nèi)方外圓形水下器件,叫方環(huán)換能器(見(jiàn)圖1)。驅(qū)動(dòng)部分由4根ue001φ6.35mm×50mm的Terfenol-D棒組成,其共振頻率可達(dá)2kHz。這種類型的設(shè)計(jì)用于美國(guó)Gould公司和Rayfhlon公司的最早的商品水聽(tīng)器中。日本學(xué)者Wakiwaka采用超磁致伸縮材料設(shè)計(jì)了聲納換能器。他采用8根ue001φ20mm×120mm的Terfenol-D棒作為振動(dòng)源,并由上、下各一塊永久磁鐵提供一定的偏置磁場(chǎng),以使超磁致伸縮棒工作在線性區(qū);調(diào)整預(yù)緊彈簧的變形量,可以對(duì)超磁致伸縮材料施加適當(dāng)?shù)念A(yù)壓力。理論上,此換能器機(jī)電耦合系數(shù)可達(dá)73%,聲源信號(hào)可達(dá)192dB。冶金部鋼鐵研究總院采用國(guó)產(chǎn)超磁致伸縮合金,研制出大功率低頻聲納。七一五研究所進(jìn)行了多邊形水聲換能器的研究。1.2超磁致伸縮材在微制造中的應(yīng)用隨著尖端科技的飛速發(fā)展,超精密加工技術(shù)成為當(dāng)今機(jī)械制造最重要的發(fā)展方向之一。目前,超精加工刀具主要采用電致伸縮微位移器做為驅(qū)動(dòng)器,而電致伸縮微位移器的位移量和輸出功率相對(duì)較小,而且在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須采取有效措施,以防止沖擊力和高電壓驅(qū)動(dòng)造成的短路問(wèn)題,采用超磁致伸縮材料作為微位移器則可很好的解決上述問(wèn)題。圖2是日本江田.弘和Toshiba公司的Kobayashi設(shè)計(jì)的,裝備在大型光學(xué)金剛石車床上的微進(jìn)給裝置,此裝置采用了超磁致伸縮材料做為驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)中采用溫度控制器,使冷卻線圈的水溫度控制在0.01℃以內(nèi)。采用此執(zhí)行器的金剛石車床加工玻璃等硬脆材料的尺寸精度和表面粗糙度可控制在幾個(gè)納米以內(nèi)。浙江大學(xué)利用超磁致伸縮材料的特性,開(kāi)發(fā)研制了活塞異型銷孔的制造系統(tǒng),成功解決了企業(yè)異型銷孔的制造的實(shí)際問(wèn)題。此系統(tǒng)的關(guān)鍵是將超磁致伸縮材料固定在鏜刀桿的合適位置,當(dāng)周圍的磁場(chǎng)改變時(shí),超磁致伸縮材料能相應(yīng)的伸長(zhǎng)或縮短,從而使刀桿產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲變形。而磁場(chǎng)的變化可通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)線圈的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。1.3燃料噴射閥電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器是流體控制閥類部件的關(guān)鍵部分,由于超磁致伸縮材料具有響應(yīng)速度快、輸出力大、并可在低磁場(chǎng)強(qiáng)度下工作等特性,采用超磁致伸縮材料的轉(zhuǎn)換器將極大的提高控制閥的性能。瑞典一家公司將Terfenol-D用于燃料噴射閥,并申請(qǐng)了專利。圖3是通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)線圈的電流,來(lái)驅(qū)動(dòng)具有負(fù)磁致伸縮的棒,使得針閥提起或放下。這個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì),可使燃料在噴射過(guò)程中實(shí)現(xiàn)快速、高準(zhǔn)確度的燃料流動(dòng)無(wú)級(jí)控制,而且也為更快、更精確的計(jì)算機(jī)控制燃料系統(tǒng)甚至排氣系統(tǒng)提供了可能。超磁致伸縮材料還被應(yīng)用于直接作用的比例閥和伺服閥。Goodfriend等采用超磁致伸縮執(zhí)行器改造了比例滑閥,在300Hz時(shí)閥芯位移達(dá)0.3mm;Urai等采用超磁致伸縮執(zhí)行器設(shè)計(jì)出了直動(dòng)式伺服閥,其最大輸出流量達(dá)2L/min,頻帶寬650Hz。此外,這種材料應(yīng)用于高速閥、高壓泵、微型泵的研究也在進(jìn)行中。1.4步進(jìn)馬達(dá)原理超磁致伸縮線性執(zhí)行器可以提供20～200μm的靜態(tài)位移,因此被應(yīng)用于提供大扭矩的高分辨率的步進(jìn)馬達(dá)中。德國(guó)柏林大學(xué)Kiesewetter利用超磁致伸縮材料研制成功一種新型步進(jìn)馬達(dá),命名為Kiesewetter,它的工作原理見(jiàn)圖4。這種馬達(dá)的定子采用非磁性材料制成管狀,并與圓柱型的Terfenol-D棒具有相同的直徑。當(dāng)線圈通入電流并且位置發(fā)生變化時(shí)(見(jiàn)圖4b～圖4e),超磁致伸縮棒料交替伸縮,象蟲(chóng)子一樣蠕動(dòng)前進(jìn),它的最大驅(qū)動(dòng)力可達(dá)到1000N,分辨率為2μm,并具有驅(qū)動(dòng)重載無(wú)反沖的優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)的Vranish采用超磁致伸縮材料,也利用上述的原理,開(kāi)發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)式的步進(jìn)馬達(dá)。它的扭矩輸出達(dá)12.2N·m,精度高達(dá)800μrad。1.5振動(dòng)主動(dòng)控制在科技飛速發(fā)展的今天,高精度光學(xué)平臺(tái)的精確控制,宇航器、衛(wèi)星及發(fā)射裝置的主動(dòng)消振等一系列振動(dòng)控制問(wèn)題顯得十分突出,而作動(dòng)器是振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),直接影響振動(dòng)主動(dòng)控制的可實(shí)施性。由Terfenol-D制成的主動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)有著其它類型作動(dòng)器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn):最大消振力達(dá)數(shù)千牛,最大可達(dá)70%的振動(dòng)衰減量,頻率范圍為0～5kHz,低頻特性好。這種材料作動(dòng)器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用為振動(dòng)控制工程領(lǐng)域開(kāi)辟了廣闊美好的前景。日本的Ohmata采用Terfenol-D設(shè)計(jì)了3連桿的臂型半主動(dòng)振動(dòng)控制裝置,可減緩由于地震、強(qiáng)風(fēng)等產(chǎn)生的振動(dòng)。這個(gè)裝置象人的手臂,可在3個(gè)直線或轉(zhuǎn)動(dòng)方向產(chǎn)生可控的摩擦力和摩擦力矩;美國(guó)的Anjanappa等將超磁致伸縮微執(zhí)行器應(yīng)用于振動(dòng)的主動(dòng)控制中,并對(duì)其工作原理進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)研究,并首次給出了考慮熱效應(yīng)的超磁致伸縮執(zhí)行器的基本數(shù)學(xué)模型。南京航空航天大學(xué)和海軍工程大學(xué)也將超磁致伸縮作動(dòng)器作為振動(dòng)主動(dòng)控制的執(zhí)行器,并取得了很好的振動(dòng)控制效果。此外,超磁致伸縮執(zhí)行器還被應(yīng)用于掃描電子顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)自動(dòng)聚焦、醫(yī)用超聲波發(fā)生器和微型機(jī)器人等機(jī)電一體化產(chǎn)品中。2稀土超磁致伸超磁致伸縮材料作為一種新型的高新技術(shù)材料將引起執(zhí)行器技術(shù)的革新,在航空、航天、國(guó)防和工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,并且正朝著微型化、集成化的方向發(fā)展。然而,與國(guó)際相比,