GMM的发展现状及其在精密致动器件中的应用

　　铁磁材料或亚铁磁材料在外加磁场中磁化时,其长度和体积都要发生微小的变化,这一现象称为磁致伸缩现象[1],它是在1842年由焦耳发现的,所以又称为焦耳效应.而超磁致伸缩材料是其3大类中之一.

　　超磁致伸缩材料具有很高的磁致伸缩应变比(材料的长度变化量Δl与材料的长度l之比)λ,比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料的λ大1~2个数量级,因而得到了广泛的应用.超磁致伸缩材料问世以来,引起了国内外学者的广泛关注,超磁致伸缩材料的制备及其应用开发迅速成为研究热点.

　　1　超磁致伸缩材料发展现状

　　1.1　超磁致伸缩材料特点

　　超磁致伸缩材料是20世纪70年代迅速发展起来的新型功能材料,被视为21世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性功能材料.目前世界上仅有少数几个国家可生产这种材料,美国政府把它列为政府控制出口的物资[5~7].超磁致伸缩材料的性能已被证明优于压电陶瓷等电致伸缩材料,在军民两用高科技领域具有难以估量的应用前景,表1列出了超磁致伸缩材料与电致伸缩材料物理性能对比情况[9].

　　1.2　超磁致伸缩材料发展现状

　　20世纪80年代中期,商品化的稀土超磁致伸缩材料开始出现,国际上经营GMM业务的企业主要有美国ETREMA公司、英国稀土制品公司、日本住友轻金属公司等[8].1989年全世界Terfenol2D合金产量仅为100kg,1993年约1 000 kg,1995年达到10 000 kg,而到1999年已达到70 000 kg.最近几年来, Ter2fenol2D的市场年增长率为100%[3].

　　在国内,北京钢铁研究总院在GMM制备技术方面的研究起步较早,1991年在国内率先制备出GMM棒材,获得了国家专利.

　　北京科技大学研制的GMM材料在国内外20家单位试用,效果良好.兰州天星公司已开发了年产能达吨级的生产线[8,9],在国内外具有很高的知名度.近年来,随着超磁致伸缩材料的不断开发应用,已形成了代替压电陶瓷(电致伸缩材料)的趋势.

　　2　在精密致动器中的应用

　　在机电工程领域,精密致动技术及器件有着广泛的需求,特别是在精密定位、精密进给、精密流量控制等场合.超磁致伸缩材料以其优良的机械特性得到了应用[10214].

　　2.1　精密流体控制

　　在流体传送与控制方面,采用超磁致伸缩材料为驱动元件,可以提高液压控制阀乃至整个液压系统的性能.URAI等人利用GMM驱动器设计出了直动式伺服阀(图1).该阀采用闭环控制,结构紧凑、精度高、响应快,最大输出流量达2 l/min,频宽650 Hz,阶跃响应小于1 ms.

　　瑞典、日本等国采用超磁致伸缩材料已开发出新型液压泵,即在柱塞式液压泵上利用GMM机构直接驱动活塞,制成形似一节电池那样的密闭型GMM泵.日本住友轻金属工业公司研制的GMM泵具有响应快和高精度控制流量等优点,可精确控制3 ml/min数量级的流量.图2是一种GMM微型泵的原理图.该泵的流量可通过调整磁场频率而改变:当圆盘状超磁致伸缩薄膜向上振动时,泵吸流;向下振动时,泵排液.