超磁致伸缩材料的发展趋势

19世纪40年代初，英国物理学家Joule发现镍（Ni）在外部交变磁场作用下可产生伸缩应变，这一现象就是磁致伸缩效应（Magnetostriction），但这种应变很小，仅在10－6～10－5范围内。20世纪70年代初，美国海军的Clark博士发现TbFe2、DyFe2等二元稀土材料具有很大的磁致伸缩系数，其伸缩特性远远大于镍、镍铁合金等传统磁致伸缩材料。随后经过进一步研究，合成了三元稀土铁化合物材料，典型结构为Tb x Dy1－x Fe2－y（x一般为0.27～0.35，y一般为0.05～0.1）。这种材料具有较低的各向异性，在室温下具有卓越的磁致伸缩效应，其磁致伸缩系数达到了（1.5～2.0）×10－3，是Fe、Ni等传统磁致伸缩材料的100倍以上，故被称为超磁致伸缩材料。

继美国对GMM的研究之后，瑞典、日本、英国和中国等国家也相继开展了GMM的制备工艺和应用研究，其部分研究产品已经商品化。我国稀土资源丰富，在GMM方面的研究起步不算晚，但在产品产业化和工程应用开发方面还处于初始阶段。目前，一些单位已经具有成批生产能力，1991年北京钢铁研究总院率先制备出GMM棒材，随后北京科技大学、包头稀土研究院和甘肃天星稀土功能材料有限公司等多家单位相继生产出GMM产品。根据不同需求，GMM可加工成各种形状，目前以柱状为主，如图1－2所示。

图1-2　不同形状和尺寸的超磁致伸缩材料产品

除超磁致伸缩材料外，常用的智能材料还有形状记忆合金和压电陶瓷。形状记忆合金是一种拥有“记忆”效应、超过相变温度后恢复原有形状的智能材料，其应变系数较高，易加工，适用于对形状有严格要求的场合。但SMA存在输出力小、变形不连续等问题，而且用于驱动形变的温度很难控制，不适合作为高精密致动器的驱动元件。压电陶瓷是利用逆压电效应实现机械能和电能相互转换的功能陶瓷材料，主要优点是频响高，但输出力小、滞环大、可控性较差。与另外两种智能材料相比，GMM具有更加优异的特性，三者的部分性能参数见表1－1［10］。(www.xing528.com)

表1-1　三种智能材料的性能参数

与PZT相比，GMM具有更高的延伸率和能量密度，表明GMM有更大的输出位移和负载能力，有利于器件小型化、轻量化，其应用领域更广；GMM的滞环更低，其线性度更好，可控性更好；GMM的磁机耦合系数更高，能量转换效率也更高；GMM的居里温度也高于PZT，环境适应能力更强，其磁致伸缩性能在高于居里温度时只是暂时失效，当低于居里温度时，其磁致伸缩性能又会恢复，材料的特性不会发生改变，而PZT在超过居里温度后将永久失效；GMM频率特性好，响应频带宽，工作频率可达到几千赫兹；线性范围宽，容易实现纳米级高精度控制。另外，GMM只需要几伏到十几伏的驱动电压，远低于PZT的上百伏高压；GMM最大可承受700 MPa的压应力，也远远大于PZT；同时，GMM的输出稳定性好，不存在老化、疲劳等问题，具有很高的可靠性。

同样，GMM也有缺点，例如，GMM所需的外加磁场通常由激励线圈产生，为保证足够的磁场强度，线圈一般比GMM要大得多，这就大大增加了整个致动器的尺寸；此外，线圈的发热也会造成GMM输出精度的降低；磁导率低，容易产生漏磁现象，尤其是材料两端和其他零部件的结合部位；电阻率越低，频率越高，涡流损耗越明显，能量转换效率较低；制造加工工艺复杂，其商业化程度还不高，价格比较昂贵。GMM本身的这些缺点会影响致动器的性能，应在结构设计和工程应用中尽量避免或降低，可采取优化结构、设置冷却装置、采用高导磁材料闭合磁路等措施。