磁致伸缩材料的应用22张幻灯片.ppt

1、制作人：阮小丽、吴海玲制作人：阮小丽、吴海玲磁致伸缩材料的分类磁致伸缩材料的分类传统磁致伸缩材料传统磁致伸缩材料 磁致伸缩的金属与合金，如：镍和金煤（Ni）基合金（Ni，NiCo合金，NiCoCr合金）和铁基合金（如：F eNi合金，FeAl合金，Fe CoV合金等）铁氧体磁致伸缩材料，如：N iCo和 NiCoCu铁氧体材料等。（磁致伸缩系数）值（在2080ppm之间）过小，没有得到推广应用。稀土超磁致伸缩材料稀土超磁致伸缩材料 稀土超磁致伸缩材料，如：（Tb，Dy）Fe2化合物为基体的合金Tbo03Dy07Fe195材料（下面简称 T bDy Fe材料）的达到15002000ppm，比前两

2、类材料的大12个数量级。特点：磁致伸缩应变及推力大、室温下机械能电能转换率高、稳定性好和可靠性高等，有电磁能与机械能或声能转换的功能，因而用途广泛。稀土超磁致伸缩材料的应用稀土超磁致伸缩材料的应用1 1、声学应用领域声学应用领域（1）低频声纳探测系统图1 超磁致方环换能器Fig.1 Giant magnetostrictive ring of transducer 国际上使用较多也较为先进的水声换能器：方环换能器。特点：低频中仍具大功率，因而声信号衰减小，传输距离远，体积小，耐高压。用途：海军装备中的声纳系统。（2）超声应用系统 用途：破碎、焊接、医疗器械、分离、清洗等领域。作用：使化工过程的

3、化学反应加速、农作物大幅度增产等。原理：线圈中通入交流电，产生交变驱动磁场，该磁场使超磁致伸缩棒频繁伸长、缩短，随着伸缩棒的伸长及缩短，输出杆产生超声振动，从而传递出大功率声能。图2 超磁致伸缩大功率超声换能器Fig.2 Giant magnetostrictive high power ultrasonic transducer2 2、力传感领域力传感领域施加应力超磁致伸缩棒空气隙永磁铁轭铁图3 超磁致伸缩力传感器Fig.3 Giant magnetostrictive force sensors原理：磁致伸缩逆效应。优点：比压电陶瓷传感器的性能更突出，体积轻巧、抗干扰能力强、过载能力好、工

4、艺简单、长寿命。用途：静态力测量、动态力的测量、重工业、化学化工、自动化控制系统等领域。我国研制的一种新型轴向扭矩传感器。特点：非接触检测、高灵敏度、耐用及小型化等。用途：电动助力转向器。图4 超磁致伸缩轴向扭矩传感器Fig.4 Giant magnetostrictive axial torque sensors3 3、磁场探测领域磁场探测领域利用磁致伸缩材料的正效应，可制成多种测量磁场强度的磁强计。国防科技大学的刘吉延等采用超磁致伸缩薄膜制成的光纤磁场传感器，采用了磁控溅射工艺，由计算机进行控制，在裸光纤表面镀制均匀的TbDyFe超磁致伸缩薄膜。新型的磁光类型传感器比传统的磁电类型传感器灵

5、敏度更大。用途：地质探矿、生物工程、军事制导等领域。4 4、精密控制领域精密控制领域 GMM的特点：高响应速度、磁致伸缩灵敏、输出应力大等。普遍用于航天定位、精密油吸、微机器人等精密控制领域。目前为止，GMM在此领域的应用及对它的研究是最广泛、最前沿的，GMM制备的精密控制器件：薄膜型执行器、纳米级致动器、微型泵、高速开关等。（1）新型液位传感器 美国的MTS公司首将磁致伸缩原理用于液体测量技术，并开发出新型的油罐液体传感器。特点：非接触高精度地测量液体的液位和界位，多点测量多参数、寿命长等。一般的GMM液位传感器，主要由保护套管、波导管、浮子和测量头组成。原理：移动的磁浮子在波导管中就会产生

6、轴向磁场，而脉冲发生电路产生脉冲，当此脉冲沿铜丝遇到轴向磁场时就形成螺旋形磁场，由于GMM的维德曼效应存在，波导管即产生波导扭曲，同时也产生一个应变脉冲的超声波信号，超声波即被接收转换成为电脉冲输送出去。（2）高压薄膜泵 英国San Technology公司的Dariusz.A.Bushko和James.H.Goldie用Terfenol-D棒制成。在结合水力和电控装置下，可实现强力、大行程的水力驱动，体积小且易控制。原理：通过线圈驱动GMM棒发生伸缩推动隔膜运动从而实现吸排。1.外壳 2.线圈 3.预压弹簧 4.工作腔 5.高压输入阀6.低压输入阀 7.隔膜 8.GMM棒 9.永磁体图5 高

7、压薄膜泵Fig.5 Membrane pump with high pressure 属微型泵系列产品，主要用来精密控制吸排油（水）量的大小。特点：体积小、功率大。（3）高速电磁开关阀 用途：航天航空数字伺服系统的核心元件，高频快速控制领域中的重要部件。特点：由GMM制作的新型电液高速开关阀，可在频率大于1KHz的高频状态下稳定安全地工作，比PZT高速开关阀快响应速度更快、漂移更小、输出位移更大、更耐高温。1.调节栓 2.外套 3.骨架 4.线圈 5.超磁致伸缩棒 6.推杆 7.端盖 8.滚珠a 9.支点 10.杠杆 11.阀芯 12.滚珠b 13.进液口 14.出液口 15.钢珠 16.弹簧

8、 17.阀体图6 电液高速开关阀Fig.6 Electro-hydraulic of high-speed switching valve 北京航天航空大学自主研制的新型电液高速开关阀。原理：线圈通电时产生驱动磁场，从而使超磁致伸缩棒伸长，推动推杆，推杆顶压滚珠a，从而推动杠杆工作，杠杆通过滚珠b克服预压弹簧阻力而推动阀芯移动，从而使进出液口相通。（4）微位移执行器可实现亚微米及纳米尺度高精度位置的执行与控制的器件。优点：大磁致伸缩系数、高磁-机耦合效率、驱动响应快等，应用前景广阔。这种执行器涡流比较大，温度对性能影响较大。图7 典型的超磁致伸缩微位移执行器Fig.7 Classic magn

9、etostrictivemicro-displacement actuator1.外套 2.出水管 3.弹簧 4.输出轴5.导向块 6.导磁体 7.超磁致伸缩棒 8.水箱 9.永磁体 10.导向块 11.进水管 12.导磁体 13.螺钉 14.底盖 15.传感器 16.线圈 17.骨架 18.电阻应变片图8 超磁致伸缩微位移执行器Fig.8 Magnetostrictive small of displacement actuator 我国大连理工大学研制，将GMM进行叠片放置减少涡流损耗，通过冷却水消除温度对GMM性能的影响，其拉伸强度比普通的更大，性能指标已达国际领先水平。5 5、动力输出

10、领域动力输出领域 利用GMM高能量密度，可制作大功率微型马达动力输出装置。与传统的电磁马达或压电超声波马达相比，体积小输出力大、控制精度高。目前的微型马达：步进式和椭圆模态驱动式马达。图9 尺蠖式马达Fig.9 Canker worm-type motor 1988年由德国柏林大学的L.Kiesewetter教授利用超磁致伸缩材料棒作为驱动元件研制出来的，世界上第一台超磁致伸缩马达。当线圈通入电流并且位置发生变化时，超磁致伸缩棒交替伸缩，像虫子一样蠕动前进，故称之为尺蠖式马达。图10 步进马达Fig.10 Stepper motor美国的J.M.Vranish等在尺蠖式马达蠕动原理的基础上，开

11、发出了转动式步进马达。图11 超磁致伸缩马达定子Fig.11 Giant magnetostrictive motor stato 椭圆模态运动的GMM马达工作效率较低下，这是由于定子运动到椭圆轨道下半部分时，作空载回程运动，因而不能推动转子运动所致。杭州科技大学设计的新型超磁致伸缩马达解决了这一问题，该马达的定子由一个环和两个Terfenol-D线性驱动器构成。1张文毓.稀土磁致伸缩材料的应用J.金属功能材料,2019,11(4)：42-462张学绪，周寿增.稀土超磁致伸缩材料的应用概况J中国材料资讯,2000,6：58-583高学绪，周寿增.稀土超磁致伸缩材料的应用J.稀土信息,2000,8：16-184王博文.超磁致伸缩材料制备与器件设计M.北京：冶金工业出版社，2019,1-133.5曾海泉，曾庚鑫，曾建斌等.超磁致伸缩功率超声换能器热分析J.中国电机工程学报，2019,31（6）：116-120.参考文献：参考文献：