磁致伸缩材料应用共24页
磁致伸缩材料的设计和应用
另一个基于预应力和偏磁的现象可以 用优化理论进行解释。磁致伸缩材料 的性能在不同的应用中非常复杂，因 为在运行过程中改变环境将改变材料 的特性。对于复杂性的全面了解将有 助于工程师开发出磁致伸缩材料的潜 在优点并由此优化基于巨磁致伸缩效 应材料的作动器。图 3 所示是长度在
外加磁场作用下改变的理想化关系。 当磁场反向施加，现象理应相反，即 材料负向应变，但负向场产生了如同 正向场的伸长磁致伸缩效应。曲线形 状让人想起蝴蝶，所以，这条曲线又 被叫做“蝴蝶曲线”。
列整齐。在点 3，出现饱和现象，阻 止了应变的进一步增加。
磁畴的重新定位的物理背景在于 简要、纲要性的描述图 2。在 0 和 1 区间之间，提供的磁场很小，磁畴几 乎不体现其定位模式。由材料如何形 成所决定的内容或许是其通常的定位 形式的一小部分，显出其永久性的偏 磁性。其导致的应变与磁致伸缩材料 的基本结构和材料化学成分均匀性有 很大联系。在 1-2 区间，我们设想， 应变与磁场之间存在几乎趋于线性的 关系。因为关系简单，容易预测材料 的性能，所以，大部分设备被设计工 作于这个区间。曲线超过点 2 后，应 变与磁场关系又变为非线性，这是由 于大部分磁畴已经按照磁场的方向排
被认为是磁致伸缩效应改变长度的原 因。磁畴旋转以及重新定位导致了材 料结构的内部应变。结构内的应变导 致了材料沿磁场方向的伸展（由于正 向磁致伸缩效应）。在此伸展过程 中，总体积基本保持不变，材料横截 面积减小。总体积的改变很小，在正 常运行条件下可以被忽略。增强磁场
可以使越来越多的磁畴在磁场方向更 为强烈和准确的重新定位。所有磁畴 都沿磁场方向排列整齐即达到饱和状 态。图 1 中即为长度随磁场强度变化 的理想化。
一个额外的磁致伸缩效应是巴瑞 特效应。在特定的极端运行条件下， 材料体积会随磁场而改变。例如，镍
稀土超磁致伸缩材料介绍及应用
稀土超磁致伸缩材料在居里点温度以下时，铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积会发生微小的变化，这种现象称之为磁致伸缩效应，长度的变化是1842年由焦耳发现致伸缩材料是近期发展起来的一种新型稀土功能材料。
它具有电磁能与机械能或声能相互转换功能。
“稀土超磁致伸缩材料”是当今世界最新型的磁致缩功能材料,是一种高效的Tb-Dy-Fe 合金。
它在低磁场驱动下产生的应变值高达1500—2000ppm，是传统的磁致伸缩材料如压电陶瓷的5—8 倍、镍基材料的40—50 倍，因此被称之为“超磁致伸缩材料”。
“稀土超磁致伸缩材料”产生的应力大、能量密度高，可瞬间响应，并且具有可靠性高、居里温度高等优点，而且还是一种环保型材料；其所具有的卓越的电磁能与机械能或声能转换性能，是传统的磁致伸缩材料所无法比拟的。
“稀土超磁致伸缩材料”可广泛应用于众多行业的科学研究与生产制造领域，从军工、航空、海洋船舶、石油地质，到汽车、电子、光学仪器、机械制造，再到办公设备、家用电器、医疗器械与食品工业，无处没有它大显身手的机会。
在国防、航空航天和高技术领域：如声纳与水声对抗换能器、线性马达、微位移驱动（如飞机机翼和机器人的自动调控系统）、噪声与振动控制系统、海洋勘探与水下通讯、超声技术（医疗、化工、制药、焊接等）、燃油喷射系统等领域，有广阔的应用前景。
“稀土超磁致伸缩材料”对生产技术与生产工艺的要求极高，目前只有少数几个国家的个别企业能够生产。
由三个组元组成（Tbl －xDyx）Fey（X＝0．27~0．40，Y＝1．90~2．0）在较低磁场下具有很高磁致伸缩应变λ的合金，如Tbo0．3Dy0．7Fe1．95 首先于20 世纪70 年代初由美国海军表面武器实验室的A．C．Clark 博士等人发明，当即他们申请了美国专利。
美国海军表面武器实验室于1987 年将该专利技术转让给美国阿依华州 A mes 市的前沿技术公司创建了专门生产稀土超磁致伸缩材料的E trema INC 分公司。
电致、磁致伸缩材料功能及应用
二谈电致、磁致伸缩材料功能及应用一、电致伸缩材料在外电场作用下电介质所产生的与场强二次方成正比的应变，称为电致伸缩。
这种效应是由电场中电介质的极化所引起，并可以发生在所有的电介质中。
其特征是应变的正负与外电场方向无关。
在压电体中（见压电性），外电场还可以引起另一种类型的应变；其大小与场强成比例，当外场反向时应变正负亦反号。
后者是压电效应的逆效应，不是电致伸缩。
外电场所引起的压电体的总应变为逆压电效应与电致伸缩效应之和。
对于非压电体，外电场只引起电致伸缩应变。
电介质在电场作用下发生弹性形变的现象。
是压电效应的逆效应。
因电介质分子在电场中发生极化，沿电场方向排列的分子相互吸引而引起。
当场强大小发生周期性变化时，能引起材料沿电场方向发生振动。
若在电介质材料(如钛酸钡等)两端所加交变电压的频率与材料的固有频率相同时，材料将发生共振。
（1）电致伸缩效应与压电效应电致伸缩效应也是一种基本的机—电耦合效应，但是对它的实研究开展得较迟，因为电致伸缩是个二次效应，通常由其产生的形变非常小，给实验带来了困难，因此人们对它不太熟悉。
众所周知，电介质晶体在外电场作用下应变与电场的一般关系式=⋅+⋅⋅式中，第一项表示逆压电效应;d为压电系为: S d E M E E数，第二项表示电致伸缩效应;M为电极伸缩系数，它是由电场诱导极化而引起的形变与电场平方成正比。
逆压电效应仅在无对称中心晶体中才有;而电致伸缩效应则为所有电介质晶体都有，不过一般说来它是很微弱的。
压电单晶如石英、罗息盐等它们的压电系数比电致伸缩系数大几个数量级，结果在低于IMV/m的电场作用下只看到第一项的作用，即表现为压电效应。
在一般铁电陶瓷中，电致伸缩系数比压电系数大，在没有极化前虽然单个晶粒具有自发极化但它们总体不表现净的压电性。
在极化过程中净的极化强度被冻结(即剩余极化)并产生一个很强的内电场，如BaTIO。
陶瓷净的剩余极化产生一个27MV/m的内电场，这样高的内电场起了电致伸缩效应的偏压作用，因此极化后陶瓷在弱外电场作用下产生宏观线性压电效应。
磁致伸缩材料的应用课件PPT
场影响，导致宏观尺度上材料的形变。
磁致伸缩的微观机制
02
包括电子自旋磁矩的重新排列、原子或分子的振动和位移等。
磁致伸缩与温度的关系
03
磁致伸缩材料的性能受温度影响，不同温度下表现出不同的磁
致伸缩效应。
磁致伸缩材料的性能参数
磁致伸缩系数
衡量磁致伸缩效应的重要参数，不同材料具有不 同的磁致伸缩系数。
居里点
历史与发展
历史
磁致伸缩材料的研究始于19世纪，早 期主要应用于声纳、水声等领域。随 着科技的发展，磁致伸缩材料在能源、 航空航天、精密仪器等领域的应用逐 渐增多。
发展
近年来，随着环保意识的提高和新能 源技术的不断发展，磁致伸缩材料在 节能减排、振动控制、智能传感器等 领域的应用前景越来越广阔。
分类与结构
振动控制
减震器
磁致伸缩材料可以用于制造减震器，通过控制磁场强度来调节减震器的阻尼力，从而有 效抑制结构振动和噪音。
振动隔离器
利用磁致伸缩材料的逆磁致伸缩效应，可以实现主动振动隔离，提高设备的稳定性和可 靠性。
精密测量
磁场传感器
磁致伸缩材料可以用于制造高灵敏度的 磁场传感器，用于测量磁场强度和方向 ，广泛应用于物理、生物医学和地质等 领域。
分类
磁致伸缩材料主要分为金属型和复合型两类。金属型磁致伸缩材料主要包括镍、铁、钴等合金，复合型磁致伸缩 材料则是由铁磁颗粒与非磁性基体复合而成。
结构
磁致伸缩材料的微观结构对其性能具有重要影响。金属型磁致伸缩材料的晶体结构、相变温度、晶粒大小等都会 影响其磁致伸缩性能。而复合ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ磁致伸缩材料的颗粒大小、颗粒分布、基体相的物理性质等也会对其性能产生影 响。
磁致伸缩材料的详细说明
磁致伸缩材料的详细说明随着现代科技的飞速发展，产品性能的不断提高，对于零加工精度的要求也越来越高。
因此，作为先进制造技术的重要组成——精密加工和超精密加工技术，已成为当前制造技术的研究热点和重要发展方向之一。
微位移驱动器作为精密、超精密加工中微定位、微进给系统的核心，其性能指标的好坏，将直接影响加工产品的质量。
近年来，超磁致伸缩材料（giant magnetostrictive material，简写为GMM）作为一种新型高效的电（磁）能—机械能转换材料在微位移驱动领域的应用正越来越得到关注。
GMM是指三元稀土铁系化合物（一般地，x＝0.3，y＝1.95），国外产品牌号为Terfenol-D。
它在室温和低磁场下能产生很大的磁致伸缩应变，其磁致伸缩系数λ最大可达，磁机耦合系数大于0.6。
同时，该材料还具有快的响应速度（达到μs级）、很强的带载能力及低的磁致伸缩各向异性等优点。
在利用超过磁致伸缩材料的磁致伸缩效应开发的超磁致伸缩驱动器（giant magnetostrictive actuator，GMA）具有输出力大、输出位移大、响应速度快、控制电压低、结构简单、体积小等优点，在精密、超精密加工领域有着广阔的应用前景。
1 超磁致伸缩材料厂驱动器的结构与工作原理1.1超磁致伸缩材料的磁一机本构方程对于超磁致伸缩材料，选择磁场强度H、温度T、应力σ作为独立变量，磁感应强度B、应变ε作为因变量，可得相应的磁一体本构方程：（1）式中：S是恒磁场、恒温下的弹性柔顺系数矩阵；D是恒应力、恒温下磁致伸缩应变系数矩阵，下标t表示矩阵的转秩；α是恒磁场、恒应力下的热膨胀系数矩阵；p是恒磁场、恒应力下的热转换系数矩阵；μ是恒应力、恒温下的磁导率系数矩阵。
对中、小功率超磁致伸缩微位移驱动器而言，一般采用其轴向磁致伸缩方程，若忽略各类能量损失且控制GMM棒工作于恒温状态（即）时，式（1）矢量式就变成标量形式：（2）式中，和分别为GMM棒轴向的应变、柔顺系数、应力、动态磁致伸缩系数、磁场强度、磁感应强度和磁导率。
磁致伸缩材料的设计和应用知识分享
外加磁场作用下改变的理想化关系。 当磁场反向施加，现象理应相反，即 材料负向应变，但负向场产生了如同 正向场的伸长磁致伸缩效应。曲线形 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢4
与磁致伸缩效应相关的最为人们 所知的效应就是焦耳效应。即铁磁棒
精品资料
在纵向磁场中体积扩张（由于正向磁 致伸缩效应），或者缩小（由于负向
于声纳换能器的 Terfenol-D、用于无线旋转马达的 Terfenol-D、基于
Terfenol-D 的电动液压作动器、无线型直线微型马达、磁致伸缩薄膜的应用、
基于磁致伸缩效应的无接触扭矩传感器和其他应用。研究表明，磁致伸缩材料
具有许多优良的特性，从而可以被用于许多先进设备。
关键词：磁致伸缩效应；作动器；传感器；Terfenol-D
磁致伸缩材料的设计 和应用
精品资料
磁致伸缩材料的设计和应用
A.G Olabi A Grunwald
(都柏林城市大学 机械制造自动化学院)
摘要：磁致伸缩效应是指材料在外加磁场条件下的变形。磁畴的旋转被认为是
磁致伸缩效应改变长度的原因。磁畴旋转以及重新定位导致了材料结构的内部
应变。结构内的应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于正向磁致伸缩效
魏德曼效应的逆效应被称为马陶
作动器机理可以被用于多种用途的。 西效应。
另一种广泛应用的磁致伸缩效应
在线圈中通入交流电，产生纵向
被称为维拉利效应。这种效应基于这 磁场，这也反过来在试件中产生磁通
样的现象，当外力施加于试件，穿过 密度。已有的交变磁通可以被另一个
试件磁通密度由于磁场的产生而发生 线圈所探测，拾波线圈可以测量磁通
了改变。Terfenol-D 材料的 比例大 于 5，因此被用于Fra bibliotek动控制以及宽带
磁致伸缩材料的应用
用途：航天航空数字伺服系统的核心元件，高频快速 控制领域中的重要部件。 特点：由GMM制作的新型电液高速开关阀，可在频率 大于1KHz的高频状态下稳定安全地工作，比PZT高速开 关阀快响应速度更快、漂移更小、输出位移更大、更耐 高温。
北京航天航空大学自主研 制的新型电液高速开关阀。 原理：线圈通电时产生驱 动磁场，从而使超磁致伸缩 棒伸长，推动推杆，推杆顶 压滚珠a，从而推动杠杆工作， 杠杆通过滚珠b克服预压弹簧 阻力而推动阀芯移动，从而 使进出液口相通。
1.外套 2.出水管 3.弹簧 4.输出轴5. 导向块 6.导磁体 7.超磁致伸缩棒 8. 水箱 9.永磁体 10.导向块 11.进水管 12.导磁体 13.螺钉 14.底盖 15.传感 器 16.线圈 17.骨架 18.电阻应变片 图8 超磁致伸缩微位移执行器 Fig.8 Magnetostrictive small of displacement actuator
超磁致伸缩大功率超声换能器 Fig.2 Giant magnetostrictive high power ultrasonic transducer
2、力传感领域
施加应力
原理：磁致伸缩逆效应。
永磁铁 超磁致伸缩棒
空气隙
轭铁
图3 超磁致伸缩力传感器 Fig.3 Giant magnetostrictive force sensors
优点：比压电陶瓷传感器 的性能更突出，体积轻巧、 抗干扰能力强、过载能力好、 工艺简单、长寿命。 用途：静态力测量、动态 力的测量、重工业、化学化 工、自动化控制系统等领域。
图4 超磁致伸缩轴向扭矩传感器 Fig.4 Giant magnetostrictive axial torque sensors
功能材料 超磁致伸缩材料及其应用
超磁致伸缩材料及其应用磁致伸缩材料所谓磁致伸缩是铁磁物质(磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。
大家知道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，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。
超磁致伸缩超磁致伸缩材料（GMM）是一种在室温和低磁场条件下，就能产生很大磁致伸缩应变的新型功能材料，超磁致伸缩材料(giant magnetostrietive material，简写为GMM)是A.E.Clark等人于70年代发现的，是一种新型的功能材料，它能有效地实现电能与机械能的相互转换。
具有应变值大、电能一机械能转换效率高、能量传输密度大、高响应速度等特点，可应用于声纳、超声器件、微位移控制、机器人、流体器件中。
磁致伸缩器件由于其独特的功能优势在许多危险工作条件和高温环境下性能出众，并且能够在低频磁场下调节应力和位移。
相对于电致伸缩材料和压电陶瓷，磁致伸缩材料的优势在于其优越的力学性能和热鲁棒性，而相对于形状记忆合金，更具有应变大，带宽广和磁滞损耗低等优点。
这些性能优势有利于开发研制传感器和制动器，甚至二者的结合体，例如需要精密的自传感制动器。
应用具有输出力大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出应变大等优点，在智能系统中具有广泛的应用前景，其力学响应行为涉及变形场、磁场、涡流场、温度场相互耦合问题，直接关系到智能系统的性能指标和可靠运行。
目前人们已经设计并制造出各种智能结构和器件，如:主动减振装置、高精度线性马达、超磁致伸缩微泵、微阀门、微定位装置等等，使得磁致伸缩材料在众多的功能材料中备受瞩目。
由于超磁致伸缩材料, 在磁场作用下长度发生变化, 发生位移而做功; 在交变磁场作用下, 发生反复伸张与缩短, 从而产生振动或声波, 将电磁能( 或电磁信号) 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), 这样可以制成功率电- 声换能器、电- 机换能器、驱动器、传感器和电子器件等, 广泛应用于海洋、地质、航空航天、运输、加工制造、医学、计算机、机器人、仪器、电子及民品等技术领域。