专题综述 文章编号:100320794(2006)0520725203超磁致伸缩材料的应用现状方紫剑,王传礼(安徽理工大学,安徽淮南232001)摘要:稀土超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料具有应变大、响应速度快等优点。

介绍了超磁致伸缩材料(G M M)及基本特性,且较全面地论述了超磁致伸缩材料2类执行器在各领域(特别是在液压元件和微型马达)中的应用及研究现状。

关键词:超磁致伸缩材料;液压元件;微型马达中图号:TP39文献标识码:AApplications of G iant Magnetostrictive MaterialFANG Zi-jian,WANG Chu an-li(Anhui University of Science and T echnology,Huainan232001,China)Abstract:The giant magnetostrictive material(G M M)has the advantages of high strain and fast response.The giant magnetostrictive material and its basic characteristics are presented.The current researches on applica2 tions of tw o kinds of G MA in various fields(particularly in the field of hydraulic com ponents and micro-m o2 tors)are com prehensively introduced.K ey w ords:giant magnetostrictive material;hydraulic com ponent;micro-m otor1　超磁致伸缩材料(G M M)的性能特点G M M与压电材料(PZT)和传统磁致伸缩材料Ni、C o等相比,具有独特的性能:(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,负载能力强,可达到220～800N;(5)其磁极耦合系数大,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。

此外,声速低,约是Ni的1Π3,PZT的1Π2。

鉴于G M M的上述优良特性,这种材料在许多领域中已引起人们的广泛重视。

2　物理效应与应用形式2.1　超磁致伸缩材料的物理效应(1)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。

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

(3)ΔE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。

(4)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。

(5)AntiViedemann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。

(6)Jum p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,利用这些效应可做成各种器件。

2.2　超磁致伸缩材料在工程中应用的2种形式按照是否采用基片可将超磁致伸缩执行器(G MA,G iant Magnetostrictive Actuator)分为2类:(1)直动型　直动型超磁致伸缩执行器一般使用超磁致伸缩棒(例如T erfenol-D),当作用在其上的磁场变化时产生形变,从而推动负载运动。

(2)薄膜型　这类执行器一般是采用在非磁性基片(通常是用一些半导体材料如Si制成)的上、下表面采用闪蒸、离子束溅射、电离镀膜、直流溅射、射频磁控溅射等方法分别镀上具有正(如:TbFe)、负(如:SmFe)磁致伸缩特性的薄膜制成,当在长度方向外加磁场时,产生正磁致伸缩的上表面薄膜伸长,而产生负磁致伸缩的下表面薄膜缩短,从而带动基片发生偏转。

3　两种G MA的应用现状基于超磁致伸缩材料的微位移执行器具有大位移、强力、响应快、可靠性高、漂移量小、驱动电压低等优点,因而在液压元件、微型马达、声纳换能器等工程领域均显示出良好的应用前景。

2种形式的G M M在工程中都有广泛的应用,本文着重介绍了2种形式的G M M在液压元件和微型马达中的应用。

3.1　直动型G MA的应用现状目前,直动型超磁致伸缩执行器较多应用于微型泵、各种阀门、微型马达、声纳等产品中。

(1)微型泵瑞典ABB公司用T erfenol-D为驱动元件设计了微型泵;日本用T erfenol-D制成了微型隔膜泵;英国SanT echnology公司的DariuszA.Bushko和James.H.G oldie用T erfenol-D棒制成了微型高压隔膜泵,其结构如图1,结合水力和电控装置,可实现强力、大行程的水力驱动,既可线性输出又可旋转输出,体积小且易于控制,其工作原理通过线圈驱动G M M第27卷第5期2006年　5月 煤　矿　机　械C oal Mine Machinery V ol127N o15M ay.2006棒发生伸缩动作,推动隔膜运动从而改变工作腔的容积,实现吸排油。

图1　高压薄膜泵的结构图Fig .1　Structure diagram of high -pressure membrane -pump11外壳　21线圈　31预压弹簧　41工作腔　51输出阀(高压)61输入阀(低压)　71隔膜　81G M M 棒　91永磁体(2)微型阀Hartmut Janocha 采用设计超磁致伸缩执行器设计了喷射阀,M.G oodfriend 等人采用超磁致伸缩执行器改造比例滑阀;T akahiro Urai 等采用超磁致伸缩执行器研制了直动式伺服阀;国内浙江大学流体传动与控制国家重点实验室较早开展了G M M 的应用研究并设计出气动喷嘴挡板型伺服阀。

江苏淮海工学院的石延平教授设计了使用超磁致高速开关阀,其结构见图2。

如图所示超磁致执行器的输出位移通过杠杆放大,分别驱动阀芯和活动阀套相对运动。

杠杆放大倍数为8,即阀芯与阀套的相对位移放大8倍,从而实现高速开关。

图2　高速开关阀结构图Fig .2　Structure diagram of high -speed switch valve11位移放大杠杆　21G M A 31开关阀(3)微型马达美国、日本和欧洲分别研制了用G M M 或G M M 和压电材料组合的直线电动机和振动型马达,并且已有多个G M M 马达专利。

例如Clark A E 等根据T erfenol -D 的“磁致伸缩跃变效应“设计制作的英寸蠕动马达。

C.Frank 等人用2个T erfenol -D 的线性驱动器和一个圆环装置设计出一种振动型马达。

德国的L.K iesewetter 利用T erfenol -D 棒研制成功一种尺蠖式马达,图3为其结构示意图。

图3　尺蠖式马达示意图Fig .3　Sketch m ap of cankerw orm -type motor当线圈通入电流并且位置发生变化时,超磁致伸缩棒交替伸缩,像虫子一样蠕动前进。

美国的J.M.Vranish 等利用蠕动原理采用超磁致伸缩材料开发出转动式步进马达。

(4)声纳国际上最先使用的超磁致电-声换能器叫方环换能器,是一种内方外圆形的水下器件,其结构如图4,它的驱动部分是由4根T erfenol -D 棒组成,其共振频率可达2kH z 。

现在采用超磁致伸缩材料的大功率电-声换能器已广泛用于军事技术、海洋探测、地质勘探、石油工业,此外在清洗、除垢、分离、乳化、破碎、机加工、塑料焊接、探伤和医疗器械等方面,超磁致超声声纳也具有广泛的应用前景。

例如:ETRE MA 公司用T erfenol -D 制成了3kW 的超声换能器。

用于废旧轮胎破碎,同时还用T erfenol -D 制成了超声手术刀。

图4　超磁致方环换能器Fig .4　G iant m agnetostrictive squ are -ring energy -transducer(5)在其它方面应用由于G M M 的诸多优良特性,它还被广泛应用于减振降噪、超精密加工、传感器、电子器件等领域。

3.2　薄膜型超磁致伸缩执行器近年来,薄膜型超磁致伸缩微执行器的开发与应用已成为一个新的研究热点。

(1)微型泵德国E.Quandt 等人利用G M M 薄膜型执行器设计了微型泵,图5为其示意图。

图5　G M M 薄膜泵示意图Fig .5　Sketch m ap of G M M membrane -pump11G M M 薄膜　21工作腔它由2部分组成,将2部分贴合在一起后当施加一定的磁场,G M M 薄膜便会发生变形从而带动基片上下偏转运动改变工作腔的容积,从而实现吸排油。

当基片向上偏转时泵吸液;当基片向下偏转时泵排液。

当外磁场变化频率为2H z 时,泵的输出流量可达10μL Πmin ,输出压力可达100Pa 。

(2)微型阀E.Qtandt 等人研制的一种悬臂梁式超磁致伸缩薄膜微型阀,它利用薄膜的伸缩效应就可实现阀的工作,其结构见图6。

当阀门关闭时,通道口与镀有磁致伸缩薄膜的基片紧紧相连,液体在连通的上、下2个腔体中同时存在但不外流。

当外加磁场时,磁致伸缩薄膜发生变形使基片产生弯曲,这时通道口　・726・ 超磁致伸缩材料的应用现状———方紫剑,等 第27卷第5期　文章编号:100320794(2006)052072720421世纪快速原型制造技术储开宇(华北电力大学机械学院,河北保定071000)摘要:快速原型技术是20世纪末兴起的一项先进制造技术,该技术可以缩短产品的生产周期、降低成本、提高产品的质量。

介绍了快速原型技术的基本原理,工艺方法和技术特点,探讨了快速原型技术今后的发展方向。

关键词:快速原型;分层;制造技术中图号:TG 249.9文献标识码:A21Centure ’s Modern Manu facture T echnology -rapid PrototypingManu facturingCHU K ai -yu(Mechanical Engineering C ollege of N orth China E lectric P ower University ,Baoding 071000,China )Abstract :Rapid prototyping is an advance manufacturing technology which rose in the end of 20th centure ,Theproduction period is shortened ,cost is reduced ,and product quality is im proved by using this advance manu facturing technology.The fundamentals ,technological method and technical characteristic of rapid proto 2typing are briefly introduced.The developing direction of rapid prototyping in the future is approached.K ey w ords :rapid prototyping ;laminated ;manu facturing technology1　快速原型技术的原理快速原型技术简称是RP (Rapid Prototyping ),采用逐点或逐层成形方法制造物理模型、模具和零件的一种先进制造技术。