磁致伸缩材料介绍.doc

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Tb-Dy-Fe超磁致伸缩合金研发及技术储备

磁致伸缩现象：

物质有热胀冷缩的现象。

除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。

铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其尺寸又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。

磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）λ来描述，λ＝（lH—lo）／lo，lo为原来的长度，1H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ppm代表。

例如金属镍（Ni）的λ约40ppm。

磁致伸缩材料分类：

磁致伸缩材料主要有三大类：

①磁致伸缩的金属与合金，如镍和（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）；

②铁氧体磁致伸缩材料，如Ni－Co和Ni－Co－Cu铁氧体材料等。

上述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。

③近期发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材

料（GMM）。

以（Tb，Dy）Fe2化合物为基体的合金Tb0．3Dy0．7Fe1．95材料（Tb－Dy－Fe材料）的λ达到1500—2000ppm，比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料的λ大1—2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。

Tb-Dy-Fe合金特点：

和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，它具有下列优点：

1、磁致伸缩应变λ比纯Ni大50倍，比PZT材料大5—25倍，比纯Ni和Ni－Co合金高400—800倍，比PZT材料高14—30倍；

2、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；

3、能量转换效率（用机电耦合系数K33表示，即由磁能转换成机械能的比例）高达70％，而Ni基合金仅有16％，PZT材料仅有40—60％；

4、其弹性模量随磁场变化而发生变化并可以调控；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；

5、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。

该材料目前存在的问题：

1、材料成本高

2、稀土元素容易氧化，熔炼过程烧损问题

3、Tb-Dy-Fe合金脆性大、机加工性能差，到目前为止，稀土超磁致伸

缩材料应用最广的形状仍为棒材。

Tb-Dy-Fe合金当前应用：

由于铽镝铁大磁致伸缩材料应变值高、能量密度大、响应快、精度高、频带宽、且具有智能响应,它的应用使得电（磁）——机械（声）转换产品产生了巨大的突破性进展,在科技领域里是一种超前的、任何材料无法取代的新材料。

铽镝铁大磁致伸缩材料在军事方面的应用是这种材料最早的用途之一,用这种材料制作的应用于军事和海洋工程的水声声纳显示出目前世界上最好的性能,探测距离近一万公里,而压电陶瓷声纳小于三百公里。

而用于飞机机翼控制可使反映灵敏度、可靠性大幅度提高。

用于导弹制导系统,实现飞行轨道计算机快速修正,大大提高命中率。

在高精密度控制方面的应用,例如：

超精密机床、机器人、主动减振系统、线性马达、高速阀门、伺服阀、汽车燃油电喷阀、超声清洗、打孔、破碎、超声医疗器具、各种精密仪器、计算机光盘驱动器、打印机等。

在超大规模集成电路的制作上,使用该材料制作精密定位系统,使集成电路成几十倍增加,体积大大缩小,对电子工业将产生深刻的影响。

在民用方面主要应用领域有：

照相机快门、编织驱动器、助听器、高保真喇叭、超声洗衣机、家用机器人等等。

Tb-Dy-Fe合金目前制备和研究的方法：

稀土超磁致伸缩材料的制备技术主要采用定向凝固方法和粉末冶金方法。

近年来，定向凝固法通过增加母合金中稀土元素含量，弥补制作过程中的稀土烧损；控制温度梯度和热流方向，采用适当的退火工艺，改进组织结构；同时不断改进制作设备。

2003年北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心自行研究开发了“一步法”新工艺，将熔炼－定向凝固－热处理等工序在一台设备上连续完成，可用来制备大直径、高性能、低成本的稀土超磁致伸缩材料，且易于批量生产。

用这种工艺研制的稀土超磁致伸缩材料成本仅为国际售价的18%，现已成功生产出直径70mm，长250mm的TbDyFe2超磁致伸缩棒材，主要技术经济指标均达到国际先进水平。

武汉理工大学首创了以提拉法无污染磁悬浮冷坩埚技术为核心的整套单晶制备和加工新技术，生产的Tb0.3Dy0.7Fe1.9单晶，超磁致伸缩系数为2000×10-6～2400×10-6。

粉末冶金方法也在不断改进，国外粘结磁致伸缩材料的磁性能已接近定向凝固棒材，Sandual等学者制作的粘结磁致伸缩材料的磁致伸缩效应可与Terfenol-D相当。

北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心也在进行这方面的研究工作，现成功制备出Φ40×60的Terfenol-D粘结磁致伸缩棒材，性能正在测试。

目前制备过程中先将Tb-Dy-Fe合金熔炼铸造成一定直径的棒材，然后再用定向凝固的方法制备出晶体取向生长的超磁致伸缩材料，而后通过热处理获得所需要性能的成品材料。

现有的定向结晶技术包括浮区区熔法，丘克拉夫斯基法和布里吉曼法。

前两种方法制备的晶体直径均小于10mm，生产效率低，无法适应工业对大尺寸（直径大于10mm）晶体的要求。

超磁致伸缩执行器

.1超磁致伸缩材料的介绍

1.1微机械的发展现状

随着科学技术研究向微小领域的深入，诞生了微W纳米科学与技术（Micro/NanoScienceandTechnology），以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造自然的一种高新技术。

微机械是基于广泛的现代科学技术，并作为整个微/纳米科学技术的重要组成部分的一项崭新研究课题。

其必须具备的基本要求是：

⑴体积小，精度高，重量轻；

⑵性能稳定，可靠性高；

⑶能耗低，灵敏度和工作效率高；

⑷多功能和智能化；

⑸适于大批量生产，制造成本低廉。

微机械发展很快，近几年，已成功开发出微驱动器、微传感器、微控制器等，并由这些不同的微机械器件集成许多具有精巧功能的集成机构IM（IntegratedMechansim）。

相对完备的微电子机械系统MEMS逐渐形成，整个系统的尺寸可以缩小到几毫米甚至几百微米。

如美国贝尔实验室开发出直径为400μm的齿轮，加州大学伯克利分校试制出直径为60μm的静电电机，直径为50μm的旋转关节，以及齿轮驱动的滑块和灵敏弹簧，美国斯坦福大学研制出直径20μm，长度150μm的铰链连杆机构，210μm×100μm的滑块机构，转子直径200μm的静电电机和流量为20ml/min的液体泵，日本东京大学工业研究院研制成1cm3大小的爬坡微型机械装置。

我国许多高校和研究所也取得不少进展。

如上海冶金研究所研制出直径为400μm的多晶硅齿轮、气动涡轮和微静电电机等。

这些微型机械不少已有具体的应用。

MEMS的研究和开发正得到世界各发达国家的广泛重视，尤其是集微机械、微电子等综合技术为一体的微机器人，由于其在工业、生物医学、军事和科研等领域的广泛应用前景而倍受青睐，随着智能材料与结构研究日益深入，将智能材料用于微机械、微机器人实现其结构的微型化、智能化以及功能的集成化，已经成为微机器及微机器人研究的一个主要发展趋势。

.1.2微机械用智能材料结构

⑴智能材料结构特点

将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的智能功能，如具有识别、分析、处理及控制等多种功能，并能进行数据的传输和多种参数的检测，而且还能够动作，具有改变结构的应力分布、强度、刚度、形状等多种功能，从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习等能力，这种结构称为智能材料结构。

可见，智能材料结构和制造是不可分割的，它不同于传统的结构材料和功能材料，其模糊了结构与功能的明显界限，趋向于结构功能化和功能多样化。

应用智能材料结构，有利于使传感器、执行器和电子控制电路等融为一体，以满足微机械体积小、精度高、重量轻及实现微机械的多功能化和智能化的集成。

目前智能材料结构引起了人们的广泛关注，为微机械的研究开辟了

新途径。

⑵微机械用智能材料结构常用作微机械材料的智能材料有硅材料、形状记忆合金、电致伸缩材料、电（磁）流变材料、导电聚合物、储氢材料等。

本文的超磁致伸缩执行器就是利用超磁致伸缩材料的特性所设计。

1.3超磁致伸缩材料

稀土超磁致伸缩材料（giantmagnentostrictivematerial,简写为GMM）为稀土元素铽Tb（Terbium）、镝Dy（Dysprosium）和铁（Fe）的合金化合物，是指在室温和低磁场下能产生很大的磁致伸缩应变的三元稀土铁系化合物，其典型材料为Terfenol-D，代表成份为Tb0.27Dy0.73Fe1.95。

铁磁和亚铁磁材料在磁场中磁化状态改变时，会引起尺寸或体积的微小变化，这种现象称为磁致伸缩，也称焦耳效应。

接着维拉里（E．Viiiari）发现了磁致伸缩逆效应，铁磁体在发生变形或受到应力作用时会引起材料磁场发生变化的现象。

一般铁磁体的磁致伸缩变形相当小，约为10-6量级，与热膨胀系数差不多，因此虽然早在19世纪人类就发现了磁致伸缩现象，但并未引起广泛的应用。

在20世纪60年代，人们发现稀土金属铽（Tb）和镝（Dy）在低温下（低于-200℃）具有较普通磁致伸缩材料大数千倍的磁致伸缩应变，但该性能只能在极低温度下获得，无法得到很好的应用此后人们开始探索在常温也具有大磁致伸缩应变的稀土合金材料，在1973年，A．E．Clark等人开发出常温下具有大磁致伸缩且各向异性最低的三元稀土合金TbDyFe，这就是GMM的基础。

自70年代中期以来，GMM研究的重点在材料的制备工艺以及各材料成分对其性能的影响，以尽早实现商品化生产。

至90年代前后，一些国家实现了商品化的GMM生产，如荚国公司的Tcrfcn01．D，瑞典FcrcdynAB公司的Magmek86，随后日本、俄罗斯、英国和澳大利亚等也相继研究开发出TbDyFe2型GMM。

我国于90年代前后开始研究TbDyFe晶体磁致伸缩材料，目前已有多家单位生产GMM，如包头稀土研究院、北京有色金属研究院、中科院物理所等，一些民营企业也开始从事GMM的生产，如甘肃天星稀土功能材料有限公司、浙江椒光稀土材料有限公司等。

⑴稀土材料的优点：

稀土超磁致伸缩材料具有许多非稀土材料所不具备的基本物理特性。

与传统超磁致伸缩材料相比，稀土材料有以下优点:

①磁致伸缩系数高。

在一定的磁场作用下，稀土超磁致伸缩材料的长度发生变化。

在室温下其磁致伸缩系数比传统材料高数百倍。

目前制备的稀土超磁致伸缩材料的最佳值可达2500x10-6，巨大的磁致伸缩系数使其在实际中应用成为可能。

这也是稀土超磁致伸缩材料得到迅速发展的主要原因。

②磁机耦合系数（K）高。

比压电陶瓷（PZT）高6～30倍，这使其称为实现电-磁-机械能量转换的优异的功能材料。

③输出应力大。

在外加预应力时，在低磁场下材料的磁致伸缩随磁场产生“跳跃”式增加，其磁化率也随之变化，这一效应对于实际应用具有重要意义。

因为产生巨大磁致伸缩应变所需的磁场很容易达到，可以使器件的结构简单紧凑，输出功率比PZT材料高数十倍。

可用来制作大功率超声激振源，用于工程地质勘探和超声加工及声纳系统。

④机械响应速度快，达10一6s级，且可电控。

可用于直线马达的快速行进，利用这一特性，既可以用作机械功率源如声发射源，也可以用作力传感器如声接收器。

⑤磁致伸缩变形的线性范围大。

这有利于磁致伸缩量的准确控制，可用于精密磨床给进和阀门控制,精度可达纳米级。

⑥频率特性好、频带宽，可以在低频几十赫兹下工作，从而可应用于制作水声换能器。

也可用于高频环境，如超声加工，超声诊断等。

⑦居里温度高，可适用于高温环境。

⑧具有Villari效应，即逆磁致伸缩现象。

在一定的磁场中，稀土超磁致伸缩材料受力后其磁化强度发生变化，利用这种现象可以制作压力传感器。

稀土超磁致伸缩材料也存在若干缺点，如由于其电阻率低，会产生涡流损耗导致高频特性差；抗拉强度低，不能承受较大的拉力;材质硬但较脆易碎，机械加工困难;制造卜艺复杂，成本较高。

这些缺点在一定程度上制约了该材料的推广应用。

针对这些问题目前己提出了一些解决方法并付诸实施，如为了控制线圈发热导致磁致伸缩棒膨胀而影响纳米、埃米级超精密定位精度，研制了用在棒与螺线管之间的恒温水冷却管，使强制水冷却控温精度达士0.01℃，系统位移效率高于90%.对于涡流效应，可采用多层绝缘薄片粘结成棒形，减小涡损，料器件的性能优势：

①能量转换能力（位移、力、功率、效率）

稀土超磁致伸缩材料的应变和功率高于其他材料。

静场应变饱和值达到1500x10一6～2000xl0一6，在线性范围内也达l000x10一6，此值为Ni的30倍、压电陶瓷的3～5倍，在共振频率下，动态应变比静态应变还要高数倍，稀土超磁致伸缩材料承受能力大于、等于20MPa，而压电陶瓷的上限仅4MPa，与此相应，这样材料的能量密度达14kJ/m3～25kJ/m3，是压电陶瓷的10～25倍，此外，这种材料的机电耦合系数=0.7～0.8，明显高于压电陶瓷和其他材料，且由于换能器磨损小，所以这种超磁致伸缩材料换能器的能量转换效率也高于传统换能器。

②控性（高速响应和精确定位）

稀土超磁致伸缩材料响应速度极高，性能重复性好，换能器结构简单，消除了常规系统中摩擦、空程、粘附引起的偏差和滞后，所以这种材料的换能器定位精度一般为0.lum，最佳可达纳米级，响应仅取决于驱动线圈的励磁时间，一般小于lms，最快可以达10μm。

③可靠性（性能稳定，不易发生故障）

压电陶瓷在制造时就加有恒定偏磁场，时效使偏磁场产生一个特久的退化，称为退极化。

即压电陶瓷的预极化在室温自然退极化，温度升高加速其退极化，而且居里温度（Tc）较低；稀土超磁致伸缩材料不发生疲劳退化，偏磁场不随时间和温度改变，Tc较高，工作温度较宽，压电陶瓷对工作频率要求较严，而频率波动对磁致伸缩性能的影响小。

一些压电换能器的工作电压很高（数千伏），易出现电击穿问题，而稀土超磁致伸缩材料换能器在较低电压（12v～1O0v）下工作，换能器可动件少，磨损小，这也使可靠性提高。

④运转能力（最高速度、最大行程）

普通小型驱动器的速度较低和行程较小，但Terfenol-D线性马达可获得lm/s的极限速度和无限的行程。

⑤有利于简化换能器结构的其他优点

频率响应范围宽/有智能响应/功率供应简单。

铽镝铁（TbDyFe）合金稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D介绍

天津华安旭阳国际贸易有限公司孙庆仑

铽镝铁（TbDyFe）合金是一种新型的稀土超磁致伸缩材料，其室温下的磁致伸缩应变量（磁致伸缩系数）之大是以往任何场致伸缩材料所无法比拟的。

它比传统的镍钴（Ni-Co）等磁致伸缩合金的应变量大几十倍，是电致伸缩材料的五倍以上。

可高效地实现电能转换成机械能，传输出巨大的能量。

在10-5～10-6秒的极短时间内，精密、稳定地形成与磁场静、动态特性相匹配的无滞后型响应。

其响应稳定，速度敏捷，使铽镝铁合金作为驱动元件的机械系统反应滞后时间显著降低，这也是铽镝铁合金元件在交变磁场中快速产生伸缩应变响应的重要特性，从而使它在工业的科技开发中作为执行元件、控制元件、敏感元件得到了越来越广泛的应用

稀土超磁致伸缩材料在声学领域的应用成果之一，是平板扬声器技术。

平板扬声器（Flatpaneltechnology）具有优异的频响特性和音质，可以产生360度的声场，几乎穿越任何平面，开辟了设计各种新型扬声器的可能性。

把稀土超磁致伸缩材料元件用于微位移机构，可以快速、精确、稳定地控制复杂的位移运动。

在机器人准确的关节控制；机床部件的精密位移控制；成型加工机床的伺服刀架控制；机构传动误差和刀具磨损的补偿控制；电力分配系统中开关、继电器的强力触头控制；激光镜、望远镜、电子显微镜的精细聚焦等控制中，可显著地优化结构、改善性能、提高效率、降低损耗。

在用稀土超磁致伸缩材料驱动的线性马达、伺服阀、强力液压泵、精密输液泵（医用）、高速阀门、燃油喷射系统（汽车发动机）等装置中进行随机控制，有效地提高自动化程度，简化液压控制系统，达到高效节能，安全可靠。

利用铽镝铁合金元件的即时响应特性，可有效地控制机械系统的振动，达到消振、降噪之目的。

反之，利用稀土超磁致伸缩材料元件的可控特性，改善振动工艺过程（抛光、振动切削），提高产品质量和生产效率。

以上为部分稀土超磁致伸缩材料应用的实例，但决不是应用的顶点。

稀土超磁致伸缩材料的更多应用正在开发中，相信它在各行各业的新产品开发中具有广阔的应用前景，带来深远的影响力。

天津华安旭阳国际贸易有限公司可提供铽镝铁（TbDyFe）合金规格：

圆柱形，直径2.0～50mm，长度≤200mm

品牌：

华安旭阳

供货能力：

有长期稳定的批量生产能力，月产量可达80～120kg

性能及优点：

性能稳定、磁致伸缩转换效率高，伸缩率及输出能量大，即时响应无滞后，强度高不易碎裂，制作振动音响时音域宽广、音色优美。

产品包装：

真空密封包装

产品用途：

制作新型振动音响、微位移控制器、超声发射器件等

现货规格：

直径30mm

如果您正在寻找铽镝铁合金材料，欢迎联系天津华安旭阳国际贸易有限公司孙经理咨询相关产品信息。

以Tb-Dy-Fe为代表的超磁致伸缩材料是继压电陶瓷、磁致伸缩材料之后，从七十年代逐渐发展起来的一种新型功能材料。

它具有电磁能与机械能的转换功能，是重的能量与信息转换能材料，特别是声纳换能器的重要材料。

由于其优异的磁致伸缩性能，超磁致伸缩材料刚一出现就引起了人们浓厚的兴趣，在国民经济和工业生产中起着越来越重要的作用。

超磁致伸缩材料Tb-Dy-Fe。

具有一系列优良的性能:

磁致伸缩应变大，磁致伸缩应变比纯Ni大50倍，比PZT材料大5-25倍:

磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约10mm的Tb-Dy-Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力:

能量密度高，其能量密度比Ni基合金大400～800倍，比PZT大14～30倍；能量转换效率（用机电祸合系数表示）高达70%，而Ni基合金仅有16%。

PZT材料仅有40-60%:

其一H曲线线性好，弹性模量随磁场而变化，可调控；响应速度快，达到10-6秒；频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下工作，工作频带宽；可在低场（几十至几百奥斯特）下工作；工作电压低，可在几伏至100伏电压下工作，可用电池驱动，而PZT的电极化电压在2kV/mm 以上，有电击穿危险；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。

另外，与PZT陶瓷相比，超磁致伸缩材料在低场大功率传感器上也具有不可替代的地位。

超磁致伸缩材料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。

低频声源和接收系统

声讯号是人们进行水下通讯探测侦察和遥控的主要媒介。

发射和接收声波的声纳装置，其核心元件一般由压电陶瓷或磁致伸缩材料制成，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。

<112>轴向取向的超磁致伸缩材料Terfenol-D以及<110>轴向取向的Tb-Dy-Fe与压电陶瓷PZT相比有以下几个优点:

输出功率大、工作温度高、低电压驱动、滞后小、不老化、响应频率低、低频信号在水下衰减小、传送距离远等。

从而使得超磁致伸缩材料有可能在声纳系统首先得到应用。

另外,用超磁致伸缩材料制成的超声波发生器在捕鱼、海底测绘、建筑和材料的无损探伤方面有很好的应用前景，将Terfenol-D的优良的低频声学特性和压电陶瓷的高频特性相结合，可以制作出性能更好的声振动传感器，其频响宽、单向性好。

利用磁致伸缩材料的弹性模量随磁场改变的性质，可制成频率可随磁场调节的延迟线，谐振器和滤波器等器件在声纳或其它系统中应用。

超声技术和电声换能技术

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.OkW）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。

高能快速微型位移执行器

超磁致伸缩材料不仅磁致伸缩应变大，而且输出应力大，响应速度快，因此可以用于高能快速微型机械的设计，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。

其它传感器应用

利用超磁致伸缩材料磁致伸缩应变大，响应速度快的特点，可以将其用于任何与磁场有关的物理量的测量。

此外，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。

用该材料可制造噪声与噪声控制，反振动与振动控制系统。