超磁致伸缩材料在流体控制阀中的应用与展望

　　0 引言

　　稀土超磁致伸缩材料(GMM)是继稀土永磁、稀土发光和稀土高温超导材料之后的又一种重要的新型功能材料。在一定的磁场作用下,该材料与传统的镍基或铁基磁致伸缩材料相比会产生大得多的长度或体积变化,因此而得名。它有别于传统的磁致伸缩材料(Fe、Co、Ni等),是指美国水面武器中心的Clark博士于20世纪70年代初首先发现在室温和低磁场下有很大磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物,典型材料为TbxDy1-xFe2-y,式中x代表Tb与Dy之比,y代表R与Fe之比,x一般为0.27~0.35,y一般为0.1~0.05。这种三元稀土合金材料已实现商品化生产,典型商品牌号为Terferno-l D或Magmek86,代表成分为Tb0.27Dy0.73Fe1.93[1]。

　　与压电材料(PZT)、电致伸缩材料(PMN)及传统的磁致伸缩材料Co、Ni等相比,超磁致伸缩材料具有独特的性能[1]:

　　(1)在室温下的磁致伸缩应变大,是Ni的40~50倍,是PZT的5~8倍;

　　(2)能量密度高,是Ni的400~500倍,是PZT的10~25倍;

　　(3)响应速度快,一般在几十毫秒以下,甚至达到微秒级;

　　(4)输出力大,带载能力强,可达到220~800 N;

　　(5)其磁机耦合系数大,电磁能-机械能的转换效率高,一般可达72%;

　　(6)居里点温度高,工作性能稳定。

　　而且对大功率而言,因器件过热易使PZT的永久性极化完全消失,而超磁致伸缩材料即使工作到居里点温度以上也只会使其磁致伸缩特性暂时消失,当冷却到居里点温度以下时,其磁致伸缩特性又完全恢复。

　　1 超磁致伸缩材料的物理效应

　　与磁致伸缩效应相关,有重要实用意义的物理效应主要有:

　　Joule效应 磁性体被外加磁场磁化时,其长度发生变化的现象,可用来制作磁致伸缩转换器。

　　Villari效应 由于形状变化,致使其磁化强度发生变化的现象,即磁致伸缩逆效应,可用于制作磁致伸缩传感器。

　　dE效应 随磁场变化,杨氏模量也发生变化的现象,可用于声延迟线。

　　Viedemann效应 在磁性体上施加适当的磁场,当有电流通过时磁性体发生扭曲变形的现象,可用于制作扭转马达等。

　　Ant-i Viedemann效应 当磁致伸缩材料沿轴向发生周向扭曲,同时沿轴向施加磁场,则沿周向出现交变磁化的现象,可用于扭转传感器。

　　Jump效应 当超磁致伸缩材料外加预应力时,磁致伸缩呈跃变式变化,磁导率也发生变化。

　　以上效应是超磁致伸缩材料的应用研究基础,利用这些效应即可做成各种器件。

　　就其在流体控制阀应用而言,Joule效应是GMM最基本的物理效应,Joule效应和Villari效应的各物理量之间的关系如图1所示。图1中公式为第一类压磁方程,是超磁致伸缩材料常用的基本方程,式中S、T为二阶张量,sH为在恒定磁场下弹性屈服系数,d为磁致系数。