標籤:磁疇磁介質磁化率鐵磁學

所謂磁致伸縮是鐵磁物質(磁性材料)由於磁化狀態的改變,其尺寸在各方向發生變化。大家知道物質有熱脹冷縮的現象。除了加熱外,磁場和電場也會導致物體尺寸的伸長或縮短。鐵磁性物質在外磁場作用下,其尺寸伸長(或縮短),去掉外磁場后,其又恢復原來的長度,這種現象稱為磁致伸縮現象(或效應)。

1磁致伸縮現象

另外有些物質(多數是金屬氧化物)在電場作用下,其尺寸
磁致伸縮換能計

  磁致伸縮換能計

也伸長(或縮短),去掉外電場后又恢復其原來的尺寸,這種現象稱為電致伸縮現象。磁致伸縮效應可用磁致伸縮係數(或應變)λ來描述,λ=(lH—lo)/lo, lo為原來的長度,1 H為物質在外磁場作用下伸長(或縮短)后的長度。一般鐵磁性物質的λ很小,約百萬分之一,通常用 p pm代表。例如金屬鎳(Ni)的λ約40ppm。

2磁致伸縮材料

自從發現物質的磁致伸縮效應后,人們就一直想利用這一物理效應來製造有用的功能器件與設備。為此人們研究和發展了一系列磁致伸縮材料,主要有三大類:即:磁致伸縮的金屬與合金,如鎳和金煤(Ni)基合金(Ni, Ni-Co合金, Ni-Co-Cr合金)和鐵基合金(如 F e-Ni合金, Fe-Al合金, Fe- Co-V合金等)和鐵氧體磁致伸縮材料,如 N i-Co和 Ni-Co-Cu鐵氧體材料等。這兩種稱為傳統磁致伸縮材料,其λ值(在20—80ppm之間)過小,它們沒有得到推廣應用,後來人們發現了電致伸縮材料,如( Pb, Zr,Ti)C03材料,(簡稱為 P ZT或稱壓電陶瓷材料),其電致伸縮係數比金屬與合金的大約200~400ppm,它很快得到廣泛應用;第三大類是近期發展的稀土金屬間化合物磁致伸縮材料,例如以( Tb,Dy)Fe2化合物為基體的合金
Tbo0.3Dy0.7Fe1.95材料(下面簡稱 T b-Dy— Fe材料)的λ達到1500~2000ppm,比前兩類材料的λ大1~2個數量級,因此稱為稀土超磁致伸縮材料。

3特點

和傳統超磁致伸縮材料及壓電陶瓷材料(PZT)相比,稀土超磁致伸縮材料是佼佼者,它具有下列優點:磁致伸縮應變λ比純 N i大50倍,比PZT材料大5—25倍,比純 N i和 Ni-Co合金高400~800倍;磁致伸縮應變時產生的推力很大,直徑約l0mm的 Tb-Dy-Fe的棒材,磁致伸縮時產生約200公斤的推力。能量轉換效率(用機電耦合係數 K33表示)高達70%,而 Ni基合金僅有16%,PZT材料僅有40~60%;其彈性模量隨磁場而變化,可調控;響應時間(由施加磁場到產生相應的應變λ所需的時間稱響應時間)僅百萬分之一秒,比人的思維還快;頻率特性好,可在低頻率(幾十至1000赫茲)下工作,工作頻帶寬;穩定性好,可靠性高,其磁致伸縮性能不隨時間而變化,無疲勞,無過熱失效問題。

4技術上的應用

由於磁致伸縮材料在磁場作用下,其長度發生變化,可發生位移而做功或在交變磁場作用可發生反覆伸張與縮短,從而產生振動或聲波,這種材料可將電磁能(或電磁信息)轉換成機械能或聲能(或機械位移信息或聲信息),相反也可以將機械能(或機械位移與信息)。轉換成電磁能(或電磁信息),它是重要的能量與信息轉換功能材料。它在聲納的水聲換能器技術,電聲換能器技術、海洋探測與開發技術、微位移驅動、減振與防振、減噪與防噪系統、智能機翼、機器人、自動化技術、燃油噴射技術、閥門、泵、波動採油等高技術領域有廣泛的應用前景。
海洋佔地球面積的70%,海洋是人類生命的源泉,但是人類對海洋的大部分還缺乏了解。21世紀是海洋世紀,人類的生活、科學實驗和資源的獲及將逐漸的從山陸地轉移到海洋。而艦艇水下移動通訊、海水溫度、海流、海底地形地貌的探測就需要聲納系統。聲納是一個龐大的系統,它包括聲發射系統,反射聲的接收系統,將回聲信息轉變成電信息與圖像,以及圖像識別系統等。其中聲發射系統中的水聲發射換能器及其材料是關鍵技術之一。過去聲納的水聲發射換能器主要用壓電陶瓷材料(PZT)來製造。這種材料製造的水聲換能器的頻率高(20kHz以上),同時發射功率小,體積大,笨重。另外隨艦艇隱身技術的發展,現代艦艇可吸收頻率在3.0kHz以上的聲波,起到隱身的作用。各工業發達國家都正在大力發展低頻(頻率為幾十至2000赫茲),大功率(聲源級約220dB)的聲納用或水聲對抗用發射水聲換能器,並已用於裝備海軍。低頻可打破敵方艦艇的隱身技術,大功率可探測更遠距離的目標,同時體積小,重量輕,可提高艦艇的作戰能力。低頻大功率是聲納用和水聲對抗用發射水聲換能器今後的發展方向。而製造低頻大功率水聲發射換能器的關鍵材料是稀土超磁致伸縮材料。發展稀土超磁致伸縮材料對發展聲納技術、水聲對抗技術、海洋開發與探測技術將起到關鍵性作用。日本已用稀土超磁致伸縮材料來製造海洋聲學斷層分析系統 O AT (Ocean Acoustic Topography)和海洋氣候聲學溫度測量系統 A TOC (The Acoustic Thermometry of Ocean climate)的水聲發射換能器,其信號可發射到1000km的範圍,可用於測量海水溫度和海流的分布圖。

5應用

稀土超磁致伸縮材料在聲頻和超聲技術方面也有廣闊的應用前景。例如用該材料可製造超大功率超聲換能器。過去的超聲換能器主要是用壓電陶瓷(PZT)材料來製造。它僅能製造小功率(≤2.0kW)的超聲波換能器,國外已用稀土超磁致伸縮材料來製造出超大功率(6—25kW)的超聲波換能器。超大功率超聲波技術可產生低功率超聲技術所不能產生的新物理效應和新的用途,如它可使廢舊輪胎脫硫再生,可使農作物大幅度增產,可加速化工過程的化學反應。有重大的經濟、社會和環保效益;用該材料製造的電聲換能器,可用于波動採油,可提高油井的產油量達20%~100%,可促進石油工業的發展;用該材料製造的薄型(平板型)喇叭,振動力大,音質好,高保真,可使樓板、牆體、桌面、玻璃窗振動和發音,可作水下音樂、水下芭蕾伴舞的喇叭等。
此外,用該材料可製造反雜訊與雜訊控制,反振動與振動控制系統。將一個咖啡杯人力反雜訊控制器安裝在與引擎推進器相連接的部件內,使它與雜訊感測器聯接,可使運載工具的雜訊降低到使旅客感到舒服的程度(≤20dB)以下。反振動與減振器應用到運載工具,如汽車等,可使汽車振動減少到令人舒服的程度。
用稀土超磁致伸縮材料製造的微位移驅動器,可用於機器人、自動控制、超精密機械加工、紅外線、電子束、激光束掃描控制、照相機快門、線性電機、智能機翼、燃油噴射系統、微型泵、閥門、感測器等等。
有專家認為,稀土超磁致伸縮材料的應用可誘發一系列的新技術,新設備,新工藝。它是可提高一個國家競爭力的材料,是21世紀戰略性功能材料。

6成果

北京科技大學自20世紀80年代末開始對稀土超磁致伸縮材料進行研究。經過近十年的研究,現已掌握了材料的成分、添加元素、製造工藝、熱處理等關鍵技術。特別是我們自己發明創造的生產軸向取向材料的技術,使製造的產品在低磁場下具有高的磁致伸縮性能,在40kA /m的磁場下,應變值達到950~1150ppm,達到國際先進水平,(目前其它研究和生產單位都是製造軸向取向的棒材)。這種具有軸向取向的稀土超磁致伸縮材料及製造工藝已獲得國家專利。1999年12月15日由教育部組織的專家委員會對該課題「新型低場高性能軸向取向稀土超磁致伸縮材料的研製」進行了鑒定。鑒定意見認為:該課題所研製的軸向取向稀土超磁致伸縮材料具有優良的低場性能,在80kA/m磁場下的磁致伸縮應變值達到1200~1500ppm,居國際先進水平。軸向取問稀土超磁致伸縮材料的研製在國內外具有重大創新性。

7應用前景

該材料在軍、民兩用高技術領域有廣闊的應用前景,據國外專家預測,該材料的發展與 N dFeB的發展極為相似,預計到2010年的銷售額可以達到18億美元。

相關評論

同義詞:暫無同義詞