磁致伸缩

----更新时间:2022-07-05

磁致伸缩是指物体在磁场中磁化时,在磁化方向会发生伸长或缩短,当通过线圈的电流变化或者是改变与磁体的距离时其尺寸即发生显著变化的铁磁性材料,通常称为铁磁致伸缩材料。其尺寸变化比目前的铁氧体等磁致伸缩材料大得多,而且所产生的能量也大,则称为超磁致伸缩材料。[1]

磁致伸缩现象

另外有些物质(多数是金属氧化物)在磁场作用下,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。一般铁磁性物质的很小,约百万分之一,通常用 p pm代表。例如金属镍(Ni)的约40ppm。

纵向磁致伸缩沿磁场方向的伸长和缩短。设在磁感应强度为B0的恒定磁场磁化下相对伸长为ε0=△l/l,则有ε0=aB0/2,式中常数a取决于材料性质。设磁化外磁场为恒定磁场B0和交变磁场B的叠加,而且B<,可以导出相对伸长为ε=βB,式中常数β取决于材料性质及B0,β称为磁致伸缩应变恒量。若用机械方法使材料两端固定,不允许其伸长,则材料内产生的应力为σ=rβ,r为磁致伸缩应力恒量,且r=C×β,式中C11表示纵向弹性模量。

与磁场垂直方向的伸长和缩短。产生纵向磁致伸缩的同时,常伴随着较小的横向伸缩。

利用磁致伸缩效应可以产生扭转振动。其方法是使圆柱形材料产生纵向磁致伸缩的同时,再加上围绕圆柱轴线的环形交变磁场。

磁致伸缩材料

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。

应用前景

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。

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。[2]