第8章超磁致伸缩材料.pptx

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1、超磁致伸缩材料的应用以Terfenol-D为代表的稀土超磁致伸缩材料作为一种新型高效磁(电)能-机械(声)能转换材料，性能远优于压电陶瓷等其他材料。以这种材料为驱动元件的电-机转换技术，在大应变、强力和高功率密度及高精度、快速响应和高可靠性等方面是任何传统技术无法比拟的。8.3.1超磁致伸缩材料及器件的性能优势稀土超磁致伸缩材料换能器的主要优点为大位移、强力、大功率以及控制精密和响应快速，其他优点还包括可靠性高、磁(电)-机转换效率高、频带宽、能源供应简单等。另外，利用应变直接转换成线性位移或按振动原理设计的器件结构简单、可动件少、刚性大、磨损小，对精度、响应、可靠性和转换效率的提高也

2、起了重要作用。超磁致伸缩材料的智能化应用8.3.1.1能量转换能力(位移、力、功率、效率)稀土超磁致伸缩材料的应变和功率密度高于其他材料。静场应变饱和值λs达1500×10−6～2000×10−6，在线性范围内也达1000×10−6。此值为Ni的30倍、压电陶瓷的3～5倍。稀土超磁致伸缩材料的能量密度达14kJ／m3～25kJ／m3，是压电陶瓷的10～25倍。8.3.1.2可控性(高速响应和精确定位)稀土超磁致伸缩材料响应速度极高(<1µs)，性能重复性好，换能器结构简单，消除了常规系统中摩擦、空程、粘附引起的偏差和滞后。所以这种材料的换能器定位精度一般为10−1µm，最佳可达纳米级。

3、8.3.1.3可靠性(性能稳定，不易发生故障)压电陶瓷在制造时就加有恒定偏磁场，时效使偏磁场产生一个持久的退化，称为退极化。即压电陶瓷的预极化在室温自然退极化，温度升高加速其退极化，而且居里温度(Tc)较低；稀土超磁致伸缩材料不发生疲劳退化，偏磁场不随时间和温度改变，Tc较高，工作温度较宽。压电陶瓷对工作频率要求较严，而频率波动对磁致伸缩性能的影响小。一些压电换能器的工作电压很高(数千伏)，易出现电击穿问题，而稀土超磁致伸缩材料换能器在较低电压(12V～100V)下工作，换能器可动件少，磨损小，这也使可靠性提高。8.3.1.4运转能力(最高速度、最大行程)普通小型驱动器的速度较低和行程

4、较小，但Terfenol-D线性马达可获得1m/s的极限速度和无限的行程。8.3.1.5有利于简化换能器结构的其他优点1)频率响应范围宽在某些装置中使用一个在0～2kHz有恒定响应的稀土超磁致伸缩材料换能器，能代替数个不同频率响应的压电换能器。2)有智能响应利用逆磁致伸缩效应，材料能感知位移、力的实际值，产生反馈信号控制本身的动作。因此，驱动元件和传感器可合为一体。3)功率供应简单由于工作电压较低，稀土超磁致伸缩材料换能器的功率供应较简单。与传统驱动器相比，稀土超磁致伸缩材料驱动器和压电驱动器共同的优点在于高精度和快响应，它们的输出力等于或高于传统驱动器中输出力最大的液压驱动器的输出力

5、。在高精度范围，其成本/性能比远低于传统驱动器。与压电陶瓷相比，稀土超磁致伸缩材料换能器在位移量、力、能量密度、行程、速度、可靠性及频带宽度等方面又有十分明显的优势。8.3.2超磁致伸缩器件设计时应考虑的问题下图是一种稀土超磁致伸缩材料磁(电)-机转换器件(驱动器)的基本结构。它由Terfenol-D驱动棒、螺线管交流磁回路、产生偏磁场的直流回路或永磁体、施加预压应力的螺丝和弹簧以及其他结构件组成。驱动器结构示意图在设计时应注意以下几个方面：驱动棒尺寸倍频和偏磁场驱动频率预应力驱动磁场工作温度、控制8.3.3超磁致伸缩材料的智能化应用声学应用领域力传感领域磁场探测领域精密控制领域动力输

6、出领域现代声纳技术广泛应用于军事、海洋、水利等多种水下探测领域。按工作方式的不同,声纳大致可分为2类:主动声纳(或回声定位声纳)和被动声纳(噪声测向声纳或噪声测距声纳)。目前,国内外水下探测仪器基本采用主动声纳系统。主动声纳原理是由自身发射声波,通过接受目标的回波来测定其方位、距离和径向速度等参数,主要分为侧扫声纳、合成孔径声纳、多波束探测系统和水下地形剖面仪等。1、声学应用领域（1）低频声纳探测系统图1超磁致方环换能器国际上使用较多也较为先进的水声换能器：方环换能器。特点：低频中仍具大功率，因而声信号衰减小，传输距离远，体积小，耐高压。用途：海军装备中的声纳系统。超声换能器是在超声频

7、率范围将交变的电信号转换成声信号的能量转换器件。功率超声换能器的特点是功率大，将电能转换成超声频振动的机械能。金属磁致伸缩材料主要有镍、铝铁合金、镍铁合金、镍钴合金、铁钴钒、铁钴合金、稀土元素与铁的二元合金等；常用的铁氧体磁致伸缩材料有镍锌铁氧体、镍铜钴铁氧体、镍锌钴铁合金等。图2传统的磁致伸缩超声换能器结构（2）超声应用系统用途：破碎、焊接、医疗器械、分离、清洗等领域。作用：使化工过程的化学反应加速、农作物大幅度增产等。原理：线圈中通入交流电