第3章 传感器敏感材料及器件3.5-3.7

图3-78 形状记忆合金驱动的可变 形喷口 a) 喷口全关状态 b) 喷口全开状态
3.6 磁流体敏感材料

磁流体(又称磁性液体、铁 磁流体或磁液)，是由强磁 性粒子、基液以及表面活 性剂三者混合而成的一种 稳定的胶状溶液。该流体 在静态时无磁性吸引力， 当外加磁场作用时，才表 现出磁性。磁流体中的强 磁性粒子一般为直径在纳 米数量级的铁磁微粒，基 液通常为有机溶液或水， 使磁性粒子悬浮于其中。 表面活性剂的作用则是包 裹磁性粒子，如图3-79所 示，以防止其因范德华力 和磁力作用而发生凝聚。
4. 温度记忆效应(TME)
SMA 的相转变温度可以在-150 ℃～200 ℃之间通过合金 的成分和热处理工艺进行调节,相变的四个关键温度点分 别为：马氏体结束温度( Mf ) ，马氏体开始温度( Ms ) ，奥 氏体开始温度( As ) ，奥氏体结束温度( Af ) 。在SMA 逆 相变过程中，如果升温至某一温度Ts(As<Ts<Af )后停止升 温，然后降温至Mf以下，使样品完全处于M 相，在下一次 完全相变过程中出现动力学停止点，该停止点与上次停止 温度密切相关，故称为温度记忆效应(TME)。
5. 耐磨性能
近年来， 国内外对Ti-Ni 合金摩擦磨损行为进行了大量研 究，对于空蚀、水射流磨损、喷沙磨损、干摩擦磨损、腐 蚀磨损和磨料磨损的研究结果表明，Ti-Ni 合金的磨损性 能优于传统耐磨材料，是摩擦磨损部件的良好选材，亦可 用于小型摩擦磨损部件的耐磨涂层。Ti-Ni 合金的良好耐 磨性与其相变SE 及M 自适应行为、良好的应变硬化能力、 热硬性和抗疲劳性有关。
从本质上讲，SMA 的SE 和SME 现象不同，机制相 似，区别仅在于SE 是应 力解除后产生M 逆相变使 形状回复到母相状态，而 SME 是通过加热产生逆相 变回复到母相状态。图370为形状记忆合金超弹性 的示意图。 图3-70 形状记忆合金超弹性的示意图。
3. 生物相容性
Ti-Ni 合金在医学领域的应用是作为异物器械植入人体， 植入体要具备两大性能：生物相容性和生物功能性。 Ti-NiSMA 密度比不锈钢小，与骨组织相近，比较适合于 硬组织修复，弹性模量只是普通不锈钢的1/4，与人骨较 为接近，可降低应力遮挡作用，避免骨质疏松，无磁性， 可进行核磁共振成像造影，植入人体后不会受外来磁场的 影响。
图3-74 基于形状记忆合金单程记忆效应的双向可变形结构单元
机翼后缘的形状可以通过对这些结构单元不同组合进行驱 动后获得均一、鸟翅状及浴盆状形状 (图3-75) 。
图3-75 翼变形的主要形式
2. SMA 在进气道结构中 的应用 进气道吸收面的变化是通 过进气道头罩角度的旋转 来实现的。在F - 15 战机 现有的依靠液压系统改变 头罩角度的进气道基础上， 通过SMA 丝束拉动机械滑 图3-76 SMA驱动头罩转动系统 块来替换液压系统实现相 同功能。图3-76 SMA驱 动头罩转动系统。
基于磁流体液体特性的传感器： ①流动性：磁流体具有
液体的流动特性。磁流体作为检测线圈磁芯或检测电容电 介质的一部分，部分填充于容器中。当容器受到重力、离 心力、牵引力等外力作用下，引起位移、速度、加速度或 倾角变化，导致磁流体的流动，线圈的整体磁导率或电容 介电常数发生变化，通过检测线圈或电容的变化值直接得 到被测量值。利用此性质可用于倾斜传感器、加速度计、 速度传感器、流量传感器和离心开关等。由于可流动性， 可能用于某些管道形状特殊，其它传感器无法放置场合的 传感检测。
基于磁流体磁光效应的传感器：若将磁流体薄膜作为磁性 介质，在外加磁场作用下，将呈现特殊的磁光效应。利用 磁流体的磁光效应，可以研究未知磁场检测等相关传感器， 将具有比传统磁感测传感器价格便宜且性能高的特点。若 磁场H改为电流I产生，也可用于研制非接触式电流传感器。
3.5 形状记忆合金敏感材料
形状记忆合金( Shape Memory Alloy，SMA) ：利用应力 和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能的一类材料。
特点是：将已在高温下定型的形状记忆合金置于低温或常 温下使其产生变形，当环境温度升高到临界温度(相变点) 时，合金的变形消失并可恢复到定型时的原始状态。
②被浸泡物体受磁流体作用力：区别于其他固体磁性材料 的一个重要特征是，磁体是液态的，可以浸泡其他物体在 其中。在外加梯度磁场作用下，浸泡在磁流体中的非磁性 物体受到排斥效应。若充分利用非磁性物体在磁流体中受 力不同的特点，将可用于非磁性物体或磁流体密度传感器、 物体体积传感器、磁流体磁化强度传感和磁场梯度传感等。
图3-69 单程形状记忆效应和双程形状记忆效应示意图
2. 超弹性(SE)
SE ：处于母相A 状态的合金在外力作用下产生远大于其 弹性极限应变量的应变， 卸载后应变可自动恢复的现象。 SE 的产生有两个条件：一是母相的屈服强度高，以推迟 塑性变形；二是变形温度在Af以上，以便应力诱发M 在卸 载后发生逆相变。
形状记忆效应( Shape Memory Effect，SME)：升温后合 金的变形消失、形状复原的现象。
图3-68演示了形状记忆合金在复原过程中能释放出巨大能 量。形状记忆合金能撑起自重100倍以上的重量，马达的 驱动力可达自重的50倍，而蚂蚁和人则分别是20倍和2倍。
图3-68
形状记忆合金的举重表演
6. 阻尼性能
Ti-Ni SMA 作为阻尼材料有其独特优点，可以消除由于时 间或环境条件变化带来的老化和硬化问题。该合金的阻尼 性能受成分、温度、加工处理、热循环和第三组元等因素 的影响。
7. 疲劳性能
SMA 在实际应用中常受周期性不规律应力或应变作用， 随循环次数的增加、缺陷的积累导致疲劳失效。TiNiSMA 的疲劳可分为“结构性疲劳”和“功能性疲劳”。
2. 基于磁流体独有性质的潜在传感器 基于磁流体磁通门原理的传感器：磁通门原理是利用磁性 材料磁化曲线的非线性，外激励磁场的瞬间变化以及环境 磁场引起磁导率的改变，导致感应电势具有随环境磁场强 度而变的偶次谐波增量。利用该原理，可研制用于磁场强 度、方向等检测的高灵敏度传感器。 基于磁流体粘度特性的智能传感器：磁流体的粘度取决于 基液的粘度和磁性微粒的含量，同时还与外磁场有关。在 无外磁场作用时，磁流体具有牛顿流体的特性。在外加磁 场作用下，磁流体的粘度明显增加，而且粘度还受磁场方 向影响。当磁场方向与运动方向垂直时，粘度最大，反之 最小。利用此性质可用于磁场强度、方向等检测；如果充 分利用外磁场改变磁流体粘度的特点，运用反馈控制，将 达到磁流体粘度的智能可控制性，实现传感器的智能性。
基液
水、烃、煤油、氟化烃双 酯、金属有机化合物、聚 本醚、汞、钒、镓、铟锡 合金
表面活性 剂
油酸、丁二酸、氟醚酸
防止磁性微粒间的聚 集和沉淀
依载液性质选取
3.6.1 磁流体传感器
1．根据检测量不同的磁流体传感器 角度传感器：磁流体应用于角度测量，一般是利用磁流体具有的流动 性特点，当角度倾斜变化，磁流体发生流动，在磁流体周围的电感或 电容发生变化，从而实现角度测量。 体积传感器：磁流体应用于体积测量，多是利用磁流体具有液体特点， 被检测物体可以浸泡在磁流体中，引起磁流体液面发生变化，从而实 现体积测量。 流量传感器：磁流体应用与流量测量，通常是利用磁流体的流动性特 点，当气体流过通道时，会形成一个压差，引起磁流体流动，从而实 现流量测量。 磁场传感器：磁流体应用于磁场测量，往往是利用磁流体具有随外磁 场强度和方向改变介电常数的特点，从而实现磁场强度及方向测量。 加速度传感器：磁流体应用与加速度测量，一般是利用磁流体具有流 动性，并具有磁性的特点，将一物体放入在磁流体中，随外界加速度 变化，引起物体的运动，通过检测物体的运动量，从而实现加速度测 量。
图3-79 磁流体中附有表面活性剂 （surfactant）的磁性粒子示意图
表3-8中列出了一些典型的磁流体组分材料。
表3-8 磁流体组分材料
磁流体的 组分 磁性粒子 组分材料 组分材料的作用 组分材料的选取原 则
Fe3O4、r-Fe2O3、铁、钻、 镍
显示磁性材料性能， 铁磁性能好，易加 使液体呈现磁性 工制取超细(~10nm) 微粒为原则 保待磁流体的流体性 质 依磁流体的用途及 价格选取
Ti-Nb-Al 、Ti-Nb-Si 合金弹性模量低、强度和塑性较高,更 适合用作人体植入材料。 不锈钢、Co-Cr 合金、加工硬化型和超弹型Ti-Ni 合金的 负载2变位特性曲线见图3-71。
图3-71 不锈钢、Co-Cr合金、Ti-Ni合金的负载-变形特性
TiNbAl 合金在循环加载和卸载 的应力2应变曲线见图3-72(直 径0.3mm 丝材，每次循环增加 恒应变1%) 。 图3-73 给出了TiNbAl 合金矫形 弹簧正畸效果示意图。a) 矫形 弹簧，b) 鼠颚骨用弹簧矫正，c) 鼠颚骨用弹簧矫正。
铁基合金：成本低、强度高、易加工、易制造。
3.5.1 形状记忆合金的性能
1.形状记忆效应 （SME） SME ：材料具有记忆其在高温母相状态形状的特性。 产生条件：马氏体（M）相变是热弹性的； 母相与M 相呈有序点阵结构； M 内部是孪晶变形； 相变在晶体学上完全可逆。
Ti-Ni 合金的SME 分为单程、双程和全程记忆效应。图369为单程形状记忆效应和双程形状记忆效应示意图。
8. 电阻效应
在单一马氏体或母相状态下，Ti-Ni SMA 的电阻率随温度 的变化基本上呈线性变化。在加热过程中，当温度达到M 逆转变温度As时，其电增加，利用 这种特性可实现结构振动的主动控制。
3.5.2 TiNb 系钛合金在生物医学中的应用
无镍β钛合金的形状记忆和超弹性行为的研究取得了显著 进展。Ti-Nb-Al 、Ti-Nb-Si 、Ti-Nb-Sn 合金属β型钛合金, 具有β→α“热弹马氏体相变特性、形状记忆和超弹性，是 代替TiNi 的理想的新型生物医用形状记忆合金。TiNbAl与 TiNi 一样具有超弹性 ，TiNbAl 比其他无Ni 形状记忆和超 弹性合金具有更优异的机械性能，在口腔复杂的生物化学 和物理环境中稳定，非常适合牙齿正畸处理。