超磁致伸缩材料

特点

　　和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料(PZT)相比，超磁致伸缩材料具有下列优点：磁致伸缩应变比纯Ni大5O倍，比PZT材料大5～25倍，比纯Ni和N卜Co合金高400800倍，比PZT材料高14～30倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约为10mm的Tb-Dy-Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200kg的推力：能量转换效率(用机电耦合系数K。。表示)高达7O，而Ni基合金仅有162／5，PZT材料仅有4O～6O；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所需的时间称为响应时间)仅为百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率(几十至1000Hz)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。超磁致伸缩材料如TbFe：，SmFe：等与普通磁致伸缩材料相比的磁致伸缩系数如表1所示。

　　从表1可以看出，与Co类普通磁致伸缩材料相比，TbFe。，SmFe：等金属间化合物的磁致伸缩系数要高约2个数量级。另外，稀土类金属一Fe化合物的磁致伸缩需要在80kA／m左右的磁场下才能达到饱和，而普通磁致伸缩材料的饱和磁化场强度只有16～24kA／m，相比较而言，前者的饱和磁化场强度要高得多。

加工工艺

　　自超磁致伸缩效应被发现以来，人们期待着各种各样的实际应用，但由于需要强磁场及大型电磁铁等故很难应用于器件。为了能在较低的外磁场下达到超磁致伸缩效果，人们开发出实用的TbDy。Fe合金。该合金是由TbFe和DyFe金属间化合物构成的混晶，由于TbFe，DyFe这两种磁各向异性相反的化合物混合的结果，可使达到磁致伸缩饱和的磁场强度降低。TbDyFe(Terfenol—D)的磁致伸缩系数和TbFe，DyFe相比没有太大的差别，但是他的K。值趋近于0，即软磁性，这使他的饱和磁化强度大大降低，一般在8～16kA／m的情况下磁致伸缩即出现饱和的趋势。因而具有很好的实用价值。

　　该材料因制作方法的不同，性能差别很大。有些制作工艺尽管能发挥出材料的性能，但往往比较昂贵，为此需要做到价格性能兼顾。

　　晶体的[111]方向上的磁致伸缩量，应尽量使材料产生织构，以提高材磁致伸缩性能。材料晶体的取向一般分为4种：无序多晶组织；具有一定取向的多晶组织；柱状晶；单晶。

　　超磁致伸缩材料主要为单晶和柱状晶，其中单晶的制作采用区熔法、单晶拉制法；柱状晶采用定向凝固法：使熔化的材料由一端冷却，由此凝固拉长得到柱状晶。总之，制作方法不同，材料的组织结构不同，从而材料的磁致伸缩性能差别也很大。

应用

　　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)，他是重要的能量与信息转换功能材料。他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。

　　21世纪是海洋世纪，人类的生活、科学实验和资源的获取将逐渐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，他包括声发射系统，反射声的接收系统，将回声信息转变成电信息与图像的系统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2000Hz)，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超磁致伸缩材料。发展超磁致伸缩材料将对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。

　　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。他仅能制造小功率(≤2．0kw)的超声波换能器，国外已用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，如他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2O～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。