磁致伸缩现象

另外有些物质（多数是金属氧化物）在电场作用下，其尺寸也伸长（或缩短），去掉外电场后又恢复其原来的尺寸，这种现象称为电致伸缩现象。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）来描述，， 为原来的长度，为物质在外磁场作用下伸长（或缩短）后的长度。一般铁磁性物质的λ很小，约百万分之一，通常用 p pm代表。例如金属镍（Ni）的λ约40ppm。 ​

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：即：磁致伸缩的金属与合金，如镍（Ni）基合金（Ni， Ni－Co合金， Ni－Co－Cr合金）和铁基合金（如 Fe－Ni合金， Fe－Al合金， Fe－ Co－V合金等）和铁氧体磁致伸缩材料，如 N i－Co和 Ni－Co－Cu铁氧体材料等。这两种称为传统磁致伸缩材料，其λ值（在20—80ppm之间）过小，它们没有得到推广应用，后来人们发现了电致伸缩材料，如（ Pb， Zr，Ti）C03材料，（简称为 P ZT或称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约200~400ppm，它很快得到广泛应用；第三大类是近期发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料，例如以（ Tb，Dy）Fe2化合物为基体的合金

Tbo0．3Dy0．7Fe1．95材料（下面简称 T b－Dy— Fe材料）的λ达到1500~2000ppm，比前两类材料的λ大1~2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。

和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸缩材料是佼佼者，它具有下列优点：磁致伸缩应变λ比纯 N i大50倍，比PZT材料大5—25倍，比纯 N i和 Ni－Co合金高400~800倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约l0mm的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力。能量转换效率（用机电耦合系数 K33表示）高达70%，而 Ni基合金仅有16%，PZT材料仅有40~60%；其弹性模量随磁场而变化，可调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。

由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移与信息）。转换成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转换功能材料。它在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、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、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。

海洋占地球面积的70%，海洋是人类生命的源泉，但是人类对海洋的大部分还缺乏了解。21世纪是海洋世纪，人类的生活、科学实验和资源的获及将逐渐的从山陆地转移到海洋。而舰艇水下移动通讯、海水温度、海流、海底地形地貌的探测就需要声纳系统。声纳是一个庞大的系统，它包括声发射系统，反射声的接收系统，将回声信息转变成电信息与图像，以及图像识别系统等。其中声发射系统中的水声发射换能器及其材料是关键技术之一。过去声纳的水声发射换能器主要用压电陶瓷材料（PZT）来制造。这种材料制造的水声换能器的频率高（20kHz以上），同时发射功率小，体积大，笨重。另外随舰艇隐身技术的发展，现代舰艇可吸收频率在3．0kHz以上的声波，起到隐身的作用。各工业发达国家都正在大力发展低频（频率为几十至2000赫兹），大功率（声源级约220dB）的声纳用或水声对抗用发射水声换能器，并已用于装备海军。低频可打破敌方舰艇的隐身技术，大功率可探测更远距离的目标，同时体积小，重量轻，可提高舰艇的作战能力。低频大功率是声纳用和水声对抗用发射水声换能器今后的发展方向。而制造低频大功率水声发射换能器的关键材料是稀土超磁致伸缩材料。发展稀土超磁致伸缩材料对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断层分析系统 O AT （Ocean Acoustic Topography）和海洋气候声学温度测量系统 A TOC （The Acoustic Thermometry of Ocean climate）的水声发射换能器，其信号可发射到1000km的范围，可用于测量海水温度和海流的分布图。

稀土超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景。例如用该材料可制造超大功率超声换能器。过去的超声换能器主要是用压电陶瓷（PZT）材料来制造。它仅能制造小功率（≤2．0kW）的超声波换能器，国外已用稀土超磁致伸缩材料来制造出超大功率（6—25kW）的超声波换能器。超大功率超声波技术可产生低功率超声技术所不能产生的新物理效应和新的用途，如它可使废旧轮胎脱硫再生，可使农作物大幅度增产，可加速化工过程的化学反应。有重大的经济、社会和环保效益；用该材料制造的电声换能器，可用于波动采油，可提高油井的产油量达20%~100%，可促进石油工业的发展；用该材料制造的薄型（平板型）喇叭，振动力大，音质好，高保真，可使楼板、墙体、桌面、玻璃窗振动和发音，可作水下音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。

此外，用该材料可制造反噪声与噪声控制，反振动与振动控制系统。将一个咖啡杯人力反噪声控制器安装在与引擎推进器相连接的部件内，使它与噪声传感器联接，可使运载工具的噪声降低到使旅客感到舒服的程度（≤20dB）以下。反振动与减振器应用到运载工具，如汽车等，可使汽车振动减少到令人舒服的程度。

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、传感器等等。

有专家认为，稀土超磁致伸缩材料的应用可诱发一系列的新技术，新设备，新工艺。它是可提高一个国家竞争力的材料，是21世纪战略性功能材料。

北京科技大学自20世纪80年代末开始对稀土超磁致伸缩材料进行研究。经过近十年的研究，现已掌握了材料的成分、添加元素、制造工艺、热处理等关键技术。特别是我们自己发明创造的生产轴向取向材料的技术，使制造的产品在低磁场下具有高的磁致伸缩性能，在40kA /m的磁场下，应变值达到950~1150ppm，达到国际先进水平，（目前其它研究和生产单位都是制造轴向取向的棒材）。这种具有轴向取向的稀土超磁致伸缩材料及制造工艺已获得国家专利。1999年12月15日由教育部组织的专家委员会对该课题“新型低场高性能轴向取向稀土超磁致伸缩材料的研制”进行了鉴定。鉴定意见认为：该课题所研制的轴向取向稀土超磁致伸缩材料具有优良的低场性能，在80kA/m磁场下的磁致伸缩应变值达到1200~1500ppm，居国际先进水平。轴向取向稀土超磁致伸缩材料的研制在国内外具有重大创新性。

该材料在军、民两用高技术领域有广阔的应用前景，据国外专家预测，该材料的发展与 N dFeB的发展极为相似，预计到2010年的销售额可以达到18亿美元。

磁致伸缩效应可用来设计制作应力传感器和转矩传感器。利用磁致伸缩系数大的硅钢片制取的应力传感器多用于1t以上重量的检测中。其输入应力与输出电压成正比，一般精度为1%~2%，高的可达0.3%~0.5%。磁致伸缩转矩传感器可以测出小扭角下的转矩。

磁致伸缩用的材料较多，主要有镍、铁、钴、铝类合金与镍铜钴铁氧陶瓷，其磁致伸缩系数为10-5量级。高磁致伸缩系数(≥10-3量级)的材料也被开发出了，如铽铁金属化合物--TbFe2、TbFe3和非晶体磁致伸缩材料--金属玻璃等。

《稀土超磁致伸缩换能器》是一本介绍稀土超磁致伸缩大功率换能器的设计理论和设计方法的专著。《稀土超磁致伸缩换能器》共分9章。第1章是绪论，主要介绍了常用的换能器材料、现代弯张换能器的设计方法及各型弯张换能器的特点;第2章分析了稀土超磁致伸缩材料的工作特性，导出了使稀土棒高效工作时沿棒轴径向均匀切割最小份数的计算公式和等效电路;第3~2章，论述了稀土超磁致伸缩大功率换能器的设计理论，并对研制出的VII和Tonpilz型换能器的性能作了测试和分析。《稀土超磁致伸缩换能器》中先后用到了ALGOR、SYSNOISE和ANSYS这三种有限元计算软件，在相关部分都相应作了简单介绍，并在第9章中重点介绍了ANSYS在设计换能器中的应用。

《稀土超磁致伸缩换能器》可供从事声换能器研究工作的科技工作者、专业技术人员以及大专院校相关专业的师生参考。