基于超磁致伸缩材料的微位移驱动器特性研究

        由稀土元素(R)及过渡金属(M)构成的,具有MgCu2型结构的立方莱夫斯相化合物,表现出具有极大的室温磁致伸缩特性。特别是TbFe2在室温下,磁致伸缩应变量可以达到2.5×10 ^-3,而　　RXR(1-X)Fe2型赝二元系化合物同时具有低的磁晶各向异性及相对大的磁致伸缩量,它具有输出力大、伸缩量大及能量密度高等特点,在很多领域得到广泛应用[1]。

　　在超精密加工技术中,微位移驱动技术作为其核心技术,直接关系着加工精度的技术指标。因而为了提高现代控制系统的性能,需要进一步开发更大功率、更快响应及进退自如的驱动器[2]。由于超磁致伸缩材料具有的强力、大位移、刚性体结构等特点,将其应用于驱动器领域,将极大提高驱动器的性能指标,并且将进一步推动超精密加工领域的进步。

　　1　超磁致伸缩材料及特性

　　1.1　超磁致伸缩材料

　　磁致伸缩是指材料在磁场作用下,其长度(或形状)发生伸长或缩短的现象。具有较大磁致伸缩应变的材料称为磁致伸缩材料,如Ni、Ni-Co-Cr合金和Fe-14%Al合金的饱和磁致伸缩应变量仅有0.4×10 ^-4～1×10 ^-4,由于其饱和磁致伸缩系数(λs)值过小,没有得到广泛应用。最近国际上研制成一种多元稀土-铁莱夫斯相化合物(R′,R″)Fe2,其饱和磁致伸缩应变量达到1.5×10 ^-3～2×10 ^-3,相当于传统材料的20～50倍,所以称其为超磁致伸缩材料[3]。最早从事超磁致伸缩材料研究的是美国海军研究所,研制的TbXDy(1-X)Fe2化合物已商业化,他们采用悬浮区域熔炼(FSZM)和改进的布里奇曼(MB)两种方法生产各种尺寸和形状的材料。

　　1.2　材料的工作机理

　　稀土超磁致伸缩材料属立方晶体,其磁致伸缩系数一般是通过测量沿主轴(〈100〉,〈110〉,〈111〉)方向长度变化得到的,磁场从垂直转到平行于测量方向。其磁致伸缩系数为

　　通常只用最低阶的两项去和磁致伸缩的实验拟合。如果用λ100表示磁化向量沿〈100〉方向时该方向的长度变化,用λ111表示磁化向量沿〈111〉方向时沿该方向的长度变化,就可把磁致伸缩应变简化为

　　式中,θ为磁化向量和测量方向之间的夹角。

　　1.3　材料的特性

　　1.3.1　应力对磁致伸缩材料的影响

　　假定磁致伸缩材料的能量是磁性塞曼能量、磁晶各向异性能量和弹性能量的总和,则有

　　磁致伸缩材料的应变受负荷的影响,在不同的压力下,其伸缩曲线是不同的,因为克服应力需要做机械功,见图1。