1、磁致伸縮材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用A.G Olabi A Grunwald(都柏林城市大學(xué) 機(jī)械制造自動(dòng)化學(xué)院)摘要：磁致伸縮效應(yīng)是指材料在外加磁場(chǎng)條件下的變形。磁疇的旋轉(zhuǎn)被認(rèn)為是磁致伸縮效應(yīng)改變長(zhǎng)度的原因。磁疇旋轉(zhuǎn)以及重新定位導(dǎo)致了材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)變。結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)變導(dǎo)致了材料沿磁場(chǎng)方向的伸展（由于正向磁致伸縮效應(yīng)）。在此伸展過(guò)程中，總體積基本保持不變，材料橫截面積減小。總體積的改變很小，在正常運(yùn)行條件下可以被忽略。增強(qiáng)磁場(chǎng)可以使越來(lái)越多的磁疇在磁場(chǎng)方向更為強(qiáng)烈和準(zhǔn)確的重新定位。所有磁疇都沿磁場(chǎng)方向排列整齊即達(dá)到飽和狀態(tài)。本文將展示磁致伸縮效應(yīng)的研究方法現(xiàn)狀和其應(yīng)用，諸如：大型作動(dòng)器響應(yīng)、標(biāo)準(zhǔn)Terfen

2、ol-D 作動(dòng)器、基于Terfenol-D的直線馬達(dá)（蝸桿驅(qū)動(dòng)）、用于聲納換能器的Terfenol-D、用于無(wú)線旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的Terfenol-D、基于Terfenol-D的電動(dòng)液壓作動(dòng)器、無(wú)線型直線微型馬達(dá)、磁致伸縮薄膜的應(yīng)用、基于磁致伸縮效應(yīng)的無(wú)接觸扭矩傳感器和其他應(yīng)用。研究表明，磁致伸縮材料具有許多優(yōu)良的特性，從而可以被用于許多先進(jìn)設(shè)備。關(guān)鍵詞：磁致伸縮效應(yīng)；作動(dòng)器；傳感器；Terfenol-D1. 前言磁致伸縮效應(yīng)是指材料在外加磁場(chǎng)條件下的變形。磁致伸縮效應(yīng)于19世紀(jì)（1842年）被英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯.焦耳發(fā)現(xiàn)。他觀察到，一類鐵磁類材料，如：鐵，在磁場(chǎng)中會(huì)改變長(zhǎng)度。焦耳事實(shí)上觀察到的是具有

3、負(fù)向磁致伸縮效應(yīng)的材料，但從那時(shí)起，具有正向磁致伸縮效應(yīng)的材料也被發(fā)現(xiàn)了。對(duì)于兩類材料來(lái)說(shuō)，磁致伸縮現(xiàn)象的原因是相似的。小磁疇的旋轉(zhuǎn)被認(rèn)為是磁致伸縮效應(yīng)改變長(zhǎng)度的原因。磁疇旋轉(zhuǎn)以及重新定位導(dǎo)致了材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)變。結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)變導(dǎo)致了材料沿磁場(chǎng)方向的伸展（由于正向磁致伸縮效應(yīng)）。在此伸展過(guò)程中，總體積基本保持不變，材料橫截面積減小。總體積的改變很小，在正常運(yùn)行條件下可以被忽略。增強(qiáng)磁場(chǎng)可以使越來(lái)越多的磁疇在磁場(chǎng)方向更為強(qiáng)烈和準(zhǔn)確的重新定位。所有磁疇都沿磁場(chǎng)方向排列整齊即達(dá)到飽和狀態(tài)。圖1中即為長(zhǎng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的理想化。磁疇的重新定位的物理背景在于簡(jiǎn)要、綱要性的描述圖2。在0和1區(qū)間之間，提供的

4、磁場(chǎng)很小，磁疇?zhēng)缀醪惑w現(xiàn)其定位模式。由材料如何形成所決定的內(nèi)容或許是其通常的定位形式的一小部分，顯出其永久性的偏磁性。其導(dǎo)致的應(yīng)變與磁致伸縮材料的基本結(jié)構(gòu)和材料化學(xué)成分均勻性有很大聯(lián)系。在1-2區(qū)間，我們?cè)O(shè)想，應(yīng)變與磁場(chǎng)之間存在幾乎趨于線性的關(guān)系。因?yàn)殛P(guān)系簡(jiǎn)單，容易預(yù)測(cè)材料的性能，所以，大部分設(shè)備被設(shè)計(jì)工作于這個(gè)區(qū)間。曲線超過(guò)點(diǎn)2后，應(yīng)變與磁場(chǎng)關(guān)系又變?yōu)榉蔷€性，這是由于大部分磁疇已經(jīng)按照磁場(chǎng)的方向排列整齊。在點(diǎn)3，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，阻止了應(yīng)變的進(jìn)一步增加。另一個(gè)基于預(yù)應(yīng)力和偏磁的現(xiàn)象可以用優(yōu)化理論進(jìn)行解釋。磁致伸縮材料的性能在不同的應(yīng)用中非常復(fù)雜，因?yàn)樵谶\(yùn)行過(guò)程中改變環(huán)境將改變材料的特性。對(duì)于復(fù)雜

5、性的全面了解將有助于工程師開發(fā)出磁致伸縮材料的潛在優(yōu)點(diǎn)并由此優(yōu)化基于巨磁致伸縮效應(yīng)材料的作動(dòng)器。圖3所示是長(zhǎng)度在外加磁場(chǎng)作用下改變的理想化關(guān)系。當(dāng)磁場(chǎng)反向施加，現(xiàn)象理應(yīng)相反，即材料負(fù)向應(yīng)變，但負(fù)向場(chǎng)產(chǎn)生了如同正向場(chǎng)的伸長(zhǎng)磁致伸縮效應(yīng)。曲線形狀讓人想起蝴蝶，所以，這條曲線又被叫做“蝴蝶曲線”。2. 磁致伸縮效應(yīng)鐵磁類材料的晶體在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生變形。這種現(xiàn)象被叫做磁致伸縮效應(yīng)。其與多種物理現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)。通常來(lái)說(shuō)，磁致伸縮效應(yīng)是機(jī)械能與電磁能之間的一種可逆能量轉(zhuǎn)化。磁致伸縮材料因?yàn)槠淠軌驅(qū)⒛芰繌囊环N形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從而在作動(dòng)器和傳感器中獲得了應(yīng)用。圖4所示即為與磁致伸縮效應(yīng)相關(guān)的各種物理效應(yīng)之間的

6、關(guān)系。與磁致伸縮效應(yīng)相關(guān)的最為人們所知的效應(yīng)就是焦耳效應(yīng)。即鐵磁棒在縱向磁場(chǎng)中體積擴(kuò)張（由于正向磁致伸縮效應(yīng)），或者縮小（由于負(fù)向磁致伸縮效應(yīng)）。這種效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于磁致伸縮作動(dòng)器中。磁致伸縮是一種可逆的材料特性。在磁場(chǎng)較弱的區(qū)域，試件形狀即恢復(fù)至其原始尺寸。Terfenol-D材料的LL比例在1500ppm范圍之上，在共振頻率下，可以達(dá)到4000ppm之上。長(zhǎng)度的增加（縱向應(yīng)變）或直徑的縮?。ㄖ芟驊?yīng)變）大致與應(yīng)用的磁場(chǎng)成比例，這種作動(dòng)器機(jī)理可以被用于多種用途的。另一種廣泛應(yīng)用的磁致伸縮效應(yīng)被稱為維拉利效應(yīng)。這種效應(yīng)基于這樣的現(xiàn)象，當(dāng)外力施加于試件，穿過(guò)試件磁通密度由于磁場(chǎng)的產(chǎn)生而發(fā)生改變。磁

7、通密度的改變量可以被拾波線圈所檢測(cè)，同時(shí)還與所加外力的大小相關(guān)。維拉利效應(yīng)是可逆的，并被應(yīng)用于傳感器。E效應(yīng)也是一種磁致伸縮效應(yīng)。由于磁場(chǎng)的存在，試件彈性模量發(fā)生了改變。Terfenol-D材料的EE比例大于5，因此被用于振動(dòng)控制以及寬帶聲納系統(tǒng)。由于彈性模量改變，磁致伸縮材料內(nèi)部的聲速發(fā)生了改變，而這種改變可以被檢測(cè)到。魏德曼效應(yīng)也是一種相關(guān)的效應(yīng)。這種現(xiàn)象的背景與焦耳效應(yīng)相似。只是，在磁場(chǎng)作用下，鐵磁試件扭轉(zhuǎn)位移所帶來(lái)的切應(yīng)變，代替了拉壓應(yīng)力-正應(yīng)變的形式。魏德曼效應(yīng)的逆效應(yīng)被稱為馬陶西效應(yīng)。在線圈中通入交流電，產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)，這也反過(guò)來(lái)在試件中產(chǎn)生磁通密度。已有的交變磁通可以被另一個(gè)線圈所

8、探測(cè)，拾波線圈可以測(cè)量磁通密度的變化率。扭轉(zhuǎn)鐵磁試件導(dǎo)致了試件的磁性變化，從而導(dǎo)致了磁通密度變化率的改變。通過(guò)拾波線圈測(cè)試磁性改變，可以估測(cè)切應(yīng)力的改變，進(jìn)一步可以計(jì)算外加扭矩的大小。馬陶西效應(yīng)在鐵磁性試件引入永磁偏置后得以完善，這一效應(yīng)被用于傳感器。一個(gè)額外的磁致伸縮效應(yīng)是巴瑞特效應(yīng)。在特定的極端運(yùn)行條件下，材料體積會(huì)隨磁場(chǎng)而改變。例如，鎳在80Ka/m的體積改變率只有。由于磁場(chǎng)而變化的體積太過(guò)微小，以至于在通常工作狀態(tài)下，可以被忽略。巴瑞特效應(yīng)的逆效應(yīng)被叫做長(zhǎng)岡-本田效應(yīng)，由于靜壓力而導(dǎo)致的試件體積變化，改變了磁場(chǎng)的狀況。兩個(gè)最為常用的磁致伸縮效應(yīng)是焦耳效應(yīng)和維拉利效應(yīng)。他們可以由以下幾個(gè)

9、方程進(jìn)行分析。首先是維拉利效應(yīng)：（1）方程（1）中，B表示磁感應(yīng)強(qiáng)度，d表示磁致伸縮常數(shù)，表示應(yīng)力改變， 表示在恒定應(yīng)力作用下的導(dǎo)磁系數(shù)。焦耳效應(yīng)可以用相似形式的方程表示：（2）方程(2)中，S表示機(jī)械應(yīng)變，表示在恒定場(chǎng)強(qiáng)H下的柔度系數(shù)，是在恒定應(yīng)力下的磁致伸縮常數(shù)。磁場(chǎng)強(qiáng)度H，可以如下計(jì)算H=IN（3）I表示電流A，N為線圈匝數(shù)。由于典型的棒狀試件軸向通常與磁場(chǎng)方向一致，因此，只有軸向的特性才被考慮。所以，d, ,c可以被當(dāng)做標(biāo)量簡(jiǎn)化。在磁致伸縮效應(yīng)的運(yùn)行、應(yīng)用過(guò)程中，以上參數(shù)并不保持恒定。關(guān)于這部分的內(nèi)容將在下一章節(jié)中進(jìn)行討論。表1呈現(xiàn)出了一組不同材料的一些特性，以及它們經(jīng)常被使用的地方。

10、提供了一組關(guān)于傳感器和作動(dòng)器主流材料的比對(duì)。表1典型特征PZTTerfenol-DSMA激勵(lì)原理壓電材料磁致伸縮材料記憶合金延伸率0.1%0.2%5%能量密度J/2.5k20J1J頻帶寬度100kHz10kHz0.5kHz磁滯10%2%30%價(jià)位/200$400$200$類似的技術(shù)概述在以下幾篇文獻(xiàn)中有所歸納。這些不同技術(shù)的分類可以被用于選擇最優(yōu)技術(shù)。其他的材料特性（只與Terfenol-D相關(guān)）在接下來(lái)的篇章中被歸納整理。這些特征只能進(jìn)行粗略的比較，因?yàn)槊宽?xiàng)應(yīng)用的特性都是不同的。這些關(guān)于Terfenol-D產(chǎn)品特性的表格只在起點(diǎn)處有效，因?yàn)橹圃爝^(guò)程對(duì)于這些性能的準(zhǔn)確性有著重大影響。同樣，預(yù)應(yīng)

11、力大小和偏磁程度也對(duì)產(chǎn)品特性有著重大影響。3. 巨磁致伸縮材料及特性巨磁致伸縮材料的發(fā)展（GMM）始于上世紀(jì)60年代，由和其他研究者牽頭。最好的結(jié)果是得到一種在商業(yè)上可以利用的合金，其在相對(duì)低磁場(chǎng)下產(chǎn)生大的磁應(yīng)變，并能在比較寬的一個(gè)溫度范圍內(nèi)工作。Terfenol是一種稀土鐵合金。合金的方程式被稱為Terfenol-D，“Ter”來(lái)自鋱?jiān)兀癋e”是鐵的化學(xué)符號(hào)，“NOL”為海軍軍械實(shí)驗(yàn)室，“D”來(lái)自鏑。（Ter+fe+nol+D）。Terfenol-D于上世紀(jì)70年代由海軍軍械實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)小組研發(fā)而來(lái)。Terfenol-D最早的一個(gè)用途是高性能聲吶換能器。Terfenol-D能夠在磁場(chǎng)

12、強(qiáng)度為50-200kA/m條件下比大多數(shù)材料多產(chǎn)生1000-2000ppm磁應(yīng)變，在材料機(jī)械共振頻率和強(qiáng)磁場(chǎng)下更高達(dá)4000ppm。（4）（5）在Terfenol-D棒的典型應(yīng)用中，ppm的概念被理解為試件長(zhǎng)度該變量與106的乘積。圖5所示為對(duì)于給定長(zhǎng)度的Terfenol-D材料，所有的長(zhǎng)度變化范圍。使用Terfenol-D膨脹性質(zhì)的設(shè)備通常被設(shè)計(jì)為使用機(jī)械零偏和電磁偏置，從而在材料特性曲線線性部分起點(diǎn)獲得零點(diǎn)。 當(dāng)磁場(chǎng)被建立，材料特性將在曲線的線性部分變化，從而確保響應(yīng)是可預(yù)測(cè)的以及成比例的，這一區(qū)段，響應(yīng)可達(dá)2000ppm。磁致伸縮應(yīng)變的最大用處是在磁致伸縮作動(dòng)器的應(yīng)用中，確定機(jī)械輸出的關(guān)

13、鍵參數(shù)。與其他磁致伸縮材料相比，Terfenol-D在較高應(yīng)變和較高居里溫度兩者之間做出了比較恰當(dāng)?shù)臋?quán)衡。磁致伸縮效應(yīng)只在材料居里溫度以下發(fā)生，但通常居里溫度都在室溫以下，這就導(dǎo)致了磁致伸縮效應(yīng)沒(méi)有多少實(shí)用的價(jià)值。表格3對(duì)比了不同磁致伸縮材料的幾種典型應(yīng)變。由于材料的其他應(yīng)用特性（磁滯、線性度等）也非常重要。其他的一些Terfenol-D的常用性質(zhì)以及用于超磁致伸縮作動(dòng)器設(shè)計(jì)的性質(zhì)也被歸納于表3當(dāng)中。表3Terfenol-D性質(zhì)取值范圍備注主要成分TbxD1-xFey0.27<x<0.3&1.9<y<2密度9250kg/m3取決于制造力學(xué)性能壓力范圍305-88

14、0Mpa應(yīng)用中首選拉力范圍28-40Mpa應(yīng)用中避免彈性模量EH10-75GpaH為常數(shù)彈性模量EB30-80GpaB為常數(shù)聲速1640-1940m/sE效應(yīng)熱力學(xué)性能導(dǎo)熱系數(shù)12ppm/c不常用不常用導(dǎo)熱率13.5W/mK25c不常用電學(xué)性質(zhì)電阻58-63*10-8m不常用磁致伸縮特性相對(duì)透磁性T/0常應(yīng)力下透磁性相對(duì)透磁性S/0常應(yīng)變下透磁性飽和磁致伸縮點(diǎn)1.0T飽和程度可選MS耦合系數(shù)k33取決于應(yīng)用MS應(yīng)變常數(shù)d338-20nm/A取決于磁場(chǎng)MS質(zhì)量因子取決于應(yīng)用4. Terfenol-D產(chǎn)品Terfenol-D是一種稀土合金，銀白色，室溫下易碎，原料具有高反應(yīng)活性并含較多雜質(zhì)，不易制

15、取。目前為止，至少已有四種不同方法制備Terfenol-D，并且利用了準(zhǔn)生產(chǎn)的原則。最為常用的方法是MB和FSZM。在FSZM方法中，材料在熔點(diǎn)附近受表面張力作用懸浮。這種方法也被叫做定向凝固方法。在MB方法中，材料完全融化，晶體開始由晶種生長(zhǎng)。由于從模具壁開始的內(nèi)部結(jié)晶將會(huì)覆蓋其基礎(chǔ)，即軸向樹突的生長(zhǎng)，所以，Terfenol-D材料的最小直徑大約為10mm。在兩種方法中，材料的凝固特別控制，其方法為，通過(guò)減小熱流來(lái)促進(jìn)晶體結(jié)構(gòu)的均勻性。這兩種方法都可以被用于制造具有高磁致伸縮率和高能量密度的Terfenol-D棒。燒結(jié)和混合的流程更多被用于生產(chǎn)用于高頻振動(dòng)（大于1kHz）的Terfenol-

16、D棒，諸如，渦流將會(huì)產(chǎn)生較大損失。基于燒結(jié)的技術(shù)可以更好的運(yùn)用于具有復(fù)雜幾何外形的情形。固體棒直徑可達(dá)65mm，長(zhǎng)度可達(dá)200mm。板條式，有孔式，或其他特殊造型，如正方形截面，平板，盤狀，目標(biāo)噴濺Terfenol-D粉末的技術(shù)已經(jīng)成熟，可以滿足不同需求。最新的以及優(yōu)化過(guò)的方法，在生產(chǎn)大體積、低成本產(chǎn)品中體現(xiàn)出了其廣闊前景。Terfenol-D材料在較大拉力下會(huì)非常脆弱。其拉應(yīng)力極限（28Mpa）相比起壓應(yīng)力（高達(dá)880Mpa），是非常小的。材料密度要高于常見的鋼材，大約為9250km/m3。彈性模量一些Terfenol-D的性質(zhì)在一個(gè)運(yùn)行周期中并不恒定。其中一個(gè)是彈性模量，幾乎隨磁場(chǎng)發(fā)生近似

17、直線的變化。E效應(yīng)的描述在圖6中有所展示。彈性模量在磁通密度為常值的條件下，可以如下表示：（6）如同方程所指出，在某一磁通密度下，彈性模量可能達(dá)到無(wú)窮大。當(dāng)Terfenol-D試件產(chǎn)生這樣的性質(zhì)時(shí)，被認(rèn)為產(chǎn)生“阻塞效應(yīng)”，磁疇旋轉(zhuǎn)停止，材料在壓力下尺寸不再改變。磁-機(jī)耦合因數(shù)及磁致伸縮率在換能器應(yīng)用中，磁能被轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的效率由磁-機(jī)耦合因子所決定。這個(gè)因子的大小通常在0.5到0.7之間變化，說(shuō)明轉(zhuǎn)化效率在50%到70%之間變化。在只關(guān)注縱向伸長(zhǎng)率的應(yīng)用中（標(biāo)準(zhǔn)作動(dòng)器應(yīng)用），人們所感興趣的材料性質(zhì)，全部與軸向長(zhǎng)度有關(guān)。這種模式叫做33-模式，磁-機(jī)耦合因數(shù)被叫做k33。磁-機(jī)耦合

18、因數(shù)可以有如下方程求出：方程中磁致伸縮率d33是應(yīng)變與磁場(chǎng)的變化率（-H）?？梢匀缦露x。圖7中，描述了磁致伸縮率d33的變化情況。圖中有一個(gè)區(qū)域斜率很高，磁場(chǎng)與應(yīng)變幾乎呈線性變化。由于這個(gè)區(qū)域最小的工作損失和近乎線性的關(guān)系，這是材料工作的首選區(qū)域，被用于將磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在真正磁致伸縮效應(yīng)的應(yīng)用過(guò)程中，磁-機(jī)耦合因數(shù)和磁致伸縮率都不是常數(shù)。圖8即為了展示為Terfenol-D材料在壓力作用下，d33和的變化。在給定預(yù)應(yīng)力的情況下，兩個(gè)因數(shù)都達(dá)到了最大值。對(duì)于高效和實(shí)際的操作過(guò)程來(lái)說(shuō)，兩個(gè)參數(shù)越高越好。磁致伸縮率d33通常被叫做磁致伸縮應(yīng)變率。Terfenol-D材料的磁致伸縮率d33通常在

19、5-70nm/A范圍內(nèi)變化。其取值不僅如上文所說(shuō)取決于預(yù)應(yīng)力，更取決于外加磁場(chǎng)大小。品質(zhì)因數(shù)在準(zhǔn)靜態(tài)條件下（連續(xù)正弦交流電激勵(lì)），假設(shè)初始預(yù)應(yīng)力為0，同時(shí)應(yīng)變和磁場(chǎng)之間為線性關(guān)系。應(yīng)變關(guān)系如下：d33在大部分頻率下為常數(shù)。當(dāng)然，在試件縱向達(dá)到共振頻率時(shí)，振幅突然增大。因此，試件Terfenol-D的振動(dòng)必須不受迫，以至于當(dāng)其工作于作動(dòng)器中時(shí)，其必須是一個(gè)空載作動(dòng)器。共振頻率下應(yīng)變遠(yuǎn)大于準(zhǔn)靜態(tài)條件下振動(dòng)。振動(dòng)頻率下應(yīng)變?nèi)缦陆o出：質(zhì)量因子Qm為在一階共振時(shí)應(yīng)變相比于準(zhǔn)靜態(tài)條件下應(yīng)變的放大倍數(shù)。在作動(dòng)器一端完全自由振動(dòng)質(zhì)量因子Qm取決于內(nèi)部發(fā)生的機(jī)械損失，其值等同于QH。內(nèi)部材料因子變化范圍在3-2

20、0之間。另一方面，如果有外加載荷，Terfenol-D試件就會(huì)的自由運(yùn)動(dòng)就會(huì)遭遇周圍其他元件的阻礙，振動(dòng)過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生阻尼，品質(zhì)因數(shù)QH就會(huì)減小到Qm。磁導(dǎo)率常數(shù)0=210-7Tm/A決定了自由空間的磁導(dǎo)率。大部分材料的磁導(dǎo)率接近自由空間磁導(dǎo)率。這些材料被稱為順磁材料或抗磁材料。由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率非常大，所以通常用一種新的性質(zhì)來(lái)表示磁導(dǎo)率，即相對(duì)磁導(dǎo)率。其含義為，材料磁導(dǎo)率與自由空間磁導(dǎo)率之比。因此，相對(duì)磁導(dǎo)率這一參數(shù)是無(wú)量綱的。相對(duì)磁導(dǎo)率因此表征磁性材料對(duì)于磁效應(yīng)的放大倍數(shù)，被表示為給定磁場(chǎng)中磁性材料中磁通密度的振幅。Terfenol-D材料的相對(duì)磁導(dǎo)率比磁鐵小很多，表4所示為一材料的相對(duì)磁

21、導(dǎo)率。表4相對(duì)磁導(dǎo)率取值范圍Mu-metal20000坡莫合金8000磁鐵200鎳100Terfenol-D<10鋁1當(dāng)一種鐵磁材料被磁場(chǎng)磁化，磁場(chǎng)撤去后，材料不會(huì)完全退磁。必須反向施加磁場(chǎng)才能使磁性為0。所以磁化曲線是一個(gè)環(huán)，這個(gè)環(huán)被稱為磁滯環(huán)。使磁疇與磁場(chǎng)方向一致需要一些能量。對(duì)于作動(dòng)器或者傳感器的智能材料發(fā)展來(lái)說(shuō)，就是要發(fā)展遲滯效應(yīng)最小的材料。另一方面，對(duì)于需要記憶磁場(chǎng)的材料來(lái)說(shuō)，需要大容量的磁滯，永磁材料的發(fā)展也是如此。圖9引自HyperPhysics網(wǎng)站。圖中，用磁疇圖形展示的方法表現(xiàn)出磁滯環(huán)。圖10展示除了鐵與鋁的典型磁性對(duì)比。當(dāng)材料對(duì)外加磁場(chǎng)有一很小響應(yīng)時(shí)，鋁的特性和自由空

22、間特性類似，相對(duì)磁導(dǎo)率幾乎和1相同。另一種說(shuō)明磁性特性的方法是使用磁場(chǎng)磁化系數(shù)m，磁場(chǎng)磁化系數(shù)m表征相對(duì)磁導(dǎo)率與1的差（11）對(duì)于一些有效材料如Terfenol-D來(lái)說(shuō)，相對(duì)磁導(dǎo)率取決于預(yù)應(yīng)力和運(yùn)行過(guò)程頻率。圖11表示Terfenol-D的磁性特征。圖中表示出，材料如何通過(guò)改變磁通量（磁通密度B），對(duì)于外加磁場(chǎng)（H）做出相應(yīng)。磁導(dǎo)率是B/H的值。圖像中展示出了磁滯環(huán)。研究表明，預(yù)應(yīng)力取值偏大的話會(huì)減小相對(duì)磁導(dǎo)率。對(duì)于正向磁致伸縮材料來(lái)說(shuō)，一種解釋是，當(dāng)預(yù)應(yīng)力較大時(shí)，大量的磁疇運(yùn)動(dòng)需要更多的機(jī)械能，因此，相比預(yù)應(yīng)力較低的情況下，材料不能對(duì)于磁場(chǎng)做出響應(yīng)。對(duì)于磁致伸縮材料來(lái)說(shuō)，另一個(gè)對(duì)于磁場(chǎng)的附加

23、響應(yīng)是鐵磁效應(yīng)（磁通量被放大），導(dǎo)致應(yīng)變改變。兩種效應(yīng)是相互關(guān)聯(lián)的，但他們之間的關(guān)系是復(fù)雜的。對(duì)于這些材料來(lái)說(shuō)，磁滯效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)是相關(guān)的。圖12是一種Terfenol-D試件的典型的磁滯環(huán)，表明磁致伸縮應(yīng)變對(duì)于磁場(chǎng)的響應(yīng)。所以，這些材料有關(guān)磁導(dǎo)率的性質(zhì)可以被定義。在常應(yīng)變下，磁導(dǎo)率表示如下：這一性質(zhì)被應(yīng)用于，智能材料“阻塞”狀態(tài)。在阻塞狀態(tài)下，材料應(yīng)變不會(huì)再隨外力而增加，所以磁疇的旋轉(zhuǎn)也不再發(fā)生。阻塞力可以達(dá)到的最大的力被稱為“阻塞力”。簡(jiǎn)單的力與位移的關(guān)系可以由彈性特征予以表達(dá)：方程中，SM為活性元素的剛度，并如下定義，磁場(chǎng)為常數(shù)的情況下，彈性模量與橫截面積的乘積除以Terfenol-

24、D的長(zhǎng)度。將這兩個(gè)方程連列，可以替換掉剛度，同時(shí)，也替換掉了磁致伸縮系數(shù)（=L/L），得到了阻塞力的定義表達(dá)式：當(dāng)Terfenol-D試件的磁致伸縮應(yīng)變達(dá)到最大時(shí)，就意味著達(dá)到了阻塞力。這一現(xiàn)象發(fā)生在非常高的磁場(chǎng)之下（max）。根據(jù)這一關(guān)系，阻塞力FBH與彈性模量和磁場(chǎng)中最大應(yīng)變成比例。當(dāng)然，每一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度下的阻塞力都可以被計(jì)算出來(lái)。在中等強(qiáng)度磁場(chǎng)下，一個(gè)直徑20mm的Terfenol-D棒可以達(dá)到12000N的阻塞力。5. 典型優(yōu)化以上所有的材料性質(zhì)在工作周期中都會(huì)隨著改變的條件而發(fā)生巨大的變化。為了達(dá)到令人滿意的精度以及好的可控性以及高的能量密度，一系列額外措施被用于Terfenol-D材

25、料的優(yōu)化。一種傳統(tǒng)的優(yōu)化措施是利用永磁體建立一個(gè)具有永久偏磁的磁場(chǎng)，從而建立一個(gè)特性曲線斜率最大的區(qū)域。這種條件在圖13中被展示。預(yù)磁化的水平取決于換能器的設(shè)計(jì)，通常變化范圍在10kA/m到100kA/m之間。此外，利用永磁體偏磁效應(yīng)可以使得換能器使用兩極電流信號(hào)，因此減小銅損。有研究認(rèn)為，機(jī)械預(yù)應(yīng)力可以造成磁矩旋轉(zhuǎn)到與外加應(yīng)力垂直的方向上，盡管還沒(méi)有解釋出，為什么一個(gè)純粹的機(jī)械因素會(huì)以這樣的方式影響磁現(xiàn)象。當(dāng)然，如果這種現(xiàn)象真實(shí)發(fā)生，磁矩被排列到與應(yīng)力垂直的方向上，外加磁場(chǎng)最小的增量也將會(huì)產(chǎn)生最大的磁致伸縮應(yīng)變，這種效應(yīng)已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。盡管提供的機(jī)械應(yīng)力并不是特別大，同一磁場(chǎng)下，預(yù)應(yīng)力增加

26、的話，磁致伸縮應(yīng)變會(huì)變得更大。圖14體現(xiàn)了Terfenol-D的這一性質(zhì)。在大的預(yù)應(yīng)力之下，另一種效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)產(chǎn)生正向磁致伸縮應(yīng)變?yōu)橹湟蛩貢r(shí)，能量需要克服預(yù)應(yīng)力，導(dǎo)致在非常大的預(yù)應(yīng)力下，磁致伸縮應(yīng)變變小。因此，在某一預(yù)應(yīng)力之下，磁致伸縮應(yīng)變達(dá)到最大值。優(yōu)化預(yù)應(yīng)力的概念是，在不引入過(guò)大負(fù)載情況下，使磁矩在棒材軸線方向上基本垂直對(duì)齊。蝴蝶曲線，即在不同預(yù)應(yīng)力下，應(yīng)變與磁場(chǎng)關(guān)系曲線，正如上文所述，被用于定量求出優(yōu)化預(yù)應(yīng)力。換能器中Terfenol-D元素的應(yīng)變范圍，可以通過(guò)因素3來(lái)增加，即對(duì)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行修正。預(yù)應(yīng)力通過(guò)彈簧來(lái)提供。在偏磁效應(yīng)和機(jī)械預(yù)應(yīng)力的選擇過(guò)程中存在相互依賴的關(guān)系，一種因素對(duì)于另

27、一種因素存在影響。這種選擇過(guò)程正在幾個(gè)項(xiàng)目之中進(jìn)行研究。一種關(guān)于這種效應(yīng)的通用綜述在以下幾篇參考綜述中提及。進(jìn)一步的優(yōu)化，聯(lián)系其物理背景，可以通過(guò)最先進(jìn)的加工方法和退火工藝來(lái)改善材料的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響磁矩方向。其他的優(yōu)化方法，在使用了磁致伸縮換能器的特殊排布的情況下也是可行的。典型的分布在表5中被列出，他們的有點(diǎn)和缺點(diǎn)也一并列出。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單、性價(jià)比良好的高能密度作動(dòng)器，TC&TCM組態(tài)應(yīng)該被優(yōu)先考慮。最后，功能、成本水平以及可行的包裝也對(duì)作動(dòng)器組態(tài)有著影響6. Terfenol-D的應(yīng)用磁致伸縮技術(shù)已經(jīng)被成功運(yùn)用于各種體積的產(chǎn)品。之前篇章所討論的磁致伸縮效應(yīng)，以Terfenol-D為代

28、表，已經(jīng)被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。兩個(gè)Terfenol-D材料的主要應(yīng)用即為作動(dòng)器與傳感器。下文即為典型GMM的應(yīng)用概略。反應(yīng)物作動(dòng)器Etrema設(shè)計(jì)制作并驗(yàn)證了一套作動(dòng)器設(shè)備，即使在寬頻率下工作，依然可以產(chǎn)生足夠的力。這種特定的大型反應(yīng)設(shè)計(jì)工作頻段為150Hz到2000Hz。這一設(shè)計(jì)同時(shí)可以產(chǎn)生4000N的力，或者在設(shè)備共振頻率635Hz下產(chǎn)生30g加速度。利用作動(dòng)器產(chǎn)生震波，并分析其反射波，可以得到地下及一些隱藏的結(jié)構(gòu)和信息。圖15所示為反應(yīng)物作動(dòng)器的橫截面標(biāo)準(zhǔn)Terfenol-D作動(dòng)器Etrema同時(shí)設(shè)計(jì)、制作并驗(yàn)證了幾套用于其他目的的作動(dòng)器。圖16中簡(jiǎn)述了一種作動(dòng)器的布局，這種作動(dòng)器已經(jīng)有成品

29、可以使用，可以產(chǎn)生250m位移和2200N的驅(qū)動(dòng)力，并可在2500Hz頻率下進(jìn)行工作。這種作動(dòng)器的工作溫度在大約-20°C到+100°C之間。另外，工作于高頻段的超聲作動(dòng)器也是可以得到。另一種Terfenol-D驅(qū)動(dòng)器由Cedrat Recherche研發(fā)?；赥erfenol-D的直線馬達(dá)Energen Inc曾經(jīng)設(shè)計(jì)并制作了基于智能材料Terfenol-D的緊湊式直線馬達(dá)。這種直線馬達(dá)的核心特征是一根被帶點(diǎn)線圈包圍Terfenol-D，當(dāng)發(fā)生激勵(lì)時(shí)，試件會(huì)伸長(zhǎng)。作動(dòng)器被安裝于兩個(gè)夾具之間。把作動(dòng)器和夾具安裝在恰當(dāng)?shù)捻樞蛏?，智能材料可以前后運(yùn)動(dòng)。圖17所示為設(shè)計(jì)功能所要遵

30、循的法則。聲吶傳感器中的Terfenol-D一個(gè)好的聲納換能器可以在低頻率下產(chǎn)生高的機(jī)械驅(qū)動(dòng)力。通常，在高帶寬和低質(zhì)量因子Q之間需要取得平衡。原始的、廣泛使用的基于鎳基的換能器，磁-機(jī)耦合系數(shù)為0.3，已經(jīng)被基于磁致伸縮材料的新材料所取代。事實(shí)上，由于磁-機(jī)耦合系數(shù)可以高達(dá)0.8并且質(zhì)量因子Q很低，Terfenol-D換能器可以在高的機(jī)械力和低頻率下運(yùn)行。圖18所示為不同種類的換能器。布局（a）描述的是典型的Tonpilz聲吶換能器，其可在2000Hz（Q=10）的共振頻率之下工作于超過(guò)200Hz的帶寬之間，聲音大約200dB左右。從Ref中而來(lái)的（b）（c）布局將Terfenol-D材料的直

31、線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為可控的振動(dòng)。更多的細(xì)節(jié)在Ref中給出。無(wú)線旋轉(zhuǎn)馬達(dá)中的Terfenol-D有人曾經(jīng)開發(fā)結(jié)構(gòu)，其可將磁致伸縮材料的伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)微型步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。這種運(yùn)行的基本原則是基于“尺蠖”效應(yīng)。一種基于這項(xiàng)技術(shù)的原型機(jī)可以在斷電自阻的條件下提供大扭矩以及精確的位置控制。磁致伸縮的微型步進(jìn)式馬達(dá)由兩對(duì)電極和兩對(duì)驅(qū)動(dòng)器組成，以使結(jié)合和脫離情況下都可以進(jìn)行微型步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)。一部分能量?jī)?chǔ)存于極對(duì)中的U型彈簧中。一臺(tái)尺寸為260*115*108的原型機(jī)可以產(chǎn)生12.2Nm的扭矩并以600W的功率產(chǎn)生0.5r/min的轉(zhuǎn)速。步長(zhǎng)的分辨率可以達(dá)到800.更多的細(xì)節(jié)在Ref的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中描述、

32、分析、討論。圖19所示為微型步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的布局。電動(dòng)液壓作動(dòng)器中的Terfenol-D磁致伸縮可以被用于直線運(yùn)動(dòng)作動(dòng)器，并與傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，如液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)。少量的伸長(zhǎng)，一步步增長(zhǎng)，可以被用做高壓流體流動(dòng)的簡(jiǎn)單泵的工作源。Ref中介紹了一種安裝了液壓?jiǎn)蜗蜷y并與磁致伸縮功能相關(guān)的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)包括磁致伸縮泵，一個(gè)液壓流動(dòng)分配系統(tǒng)，一個(gè)將液壓能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的子系統(tǒng)，以及控制電路。圖20描繪的是磁致伸縮泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。一種是用此類結(jié)構(gòu)的原型機(jī)可以獲得搞到4.2MPa的工作壓力和3l/min的流量。其簡(jiǎn)單、高能、快響應(yīng)的特點(diǎn)使其具有一定前景。更多的實(shí)驗(yàn)論證和仿真結(jié)果在相關(guān)文獻(xiàn)中有所記載。無(wú)線型直線微

33、型馬達(dá)Cedrat Recherche開發(fā)了幾種類型的超聲速駐波馬達(dá)。這也是磁致伸縮薄膜的一種應(yīng)用。這種直線微型馬達(dá)的功能通過(guò)一個(gè)覆蓋了磁致伸縮薄膜的自驅(qū)動(dòng)硅盤來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種智能材料的使用方法的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)效果可以在不接觸磁場(chǎng)（帶電線圈產(chǎn)生）的條件下產(chǎn)生，因此可以被放置于遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)端的地方。外加磁場(chǎng)產(chǎn)生了共振的彎曲變形；這導(dǎo)致了盤的振動(dòng)，使得運(yùn)動(dòng)速度接近10-20mm/s。一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)律被運(yùn)用于旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。在20mT的激勵(lì)磁場(chǎng)中，1.6Nm的扭矩可以產(chǎn)生30r/min的轉(zhuǎn)速。圖21所示為基于磁致伸縮材料的薄膜作動(dòng)器。其他磁致伸縮薄膜的應(yīng)用適合于Terfenol-D及其他磁致伸縮材料的鍍敷涂層方法已經(jīng)開

34、發(fā)出了一些具有新應(yīng)用的薄膜。濺射沉積磁致伸縮薄膜已經(jīng)被用于高頻工作條件下的微尺寸作動(dòng)器中，其簡(jiǎn)單、廉價(jià)、無(wú)接觸的排布特點(diǎn)被逐漸認(rèn)可?？紤]到組分以及噴濺的情況，TbDyFe材料在0.5T的磁場(chǎng)中可以獲得700ppm的應(yīng)變。不同的懸臂、薄膜型微系統(tǒng)近年來(lái)也相繼發(fā)表。側(cè)向磁致伸縮薄膜的本質(zhì)是為了獲得大的、可控的變形。簡(jiǎn)支梁的變形產(chǎn)生了基板的變形，變形無(wú)法受控，或者是凸的、或者是凹的。但如果一段有涂層，磁場(chǎng)作用下，變形即成為可控的，并可以用于不同目的。圖22所示為一種原理可行的可控閥門。緊貼基板兩端的涂層區(qū)域橫截面被用顏色標(biāo)出。這種排布的優(yōu)點(diǎn)是，流動(dòng)可以被磁場(chǎng)無(wú)接觸的控制，同時(shí)，小流量也是也是使用這種微型閥門的優(yōu)點(diǎn)。無(wú)接觸磁致伸縮扭矩傳感器在磁能和機(jī)械能之間的高效相互轉(zhuǎn)化可以被用于無(wú)接觸傳感器。在這些應(yīng)用中，魏德曼、維拉利、E和馬陶西效應(yīng)被用于測(cè)試磁致伸縮改變并提供可以統(tǒng)計(jì)的應(yīng)力、外力或扭矩?cái)?shù)據(jù)。材料力學(xué)性質(zhì)的變化，如應(yīng)力、應(yīng)變，可以產(chǎn)生磁場(chǎng)中的變化，這些變化可以被預(yù)測(cè)。在傳感器應(yīng)用中，機(jī)械能的改變導(dǎo)致磁能的改變，通常，環(huán)繞磁致伸縮材料的拾波線圈被用于探測(cè)透磁性質(zhì)的變化，電信號(hào)被應(yīng)用于轉(zhuǎn)變、過(guò)濾、放大基本數(shù)據(jù)來(lái)生成應(yīng)力和應(yīng)變的數(shù)據(jù)，進(jìn)而反過(guò)來(lái)給出外加載荷的估計(jì)（