灵巧材料——铽镝铁超（大）磁致伸缩材料（GMM） 一．材料概述 物质在磁场中尺寸会发生变化,这一现象称为磁致伸缩。磁致伸缩效应是1842年由焦耳发现的,所以又称为焦耳效应。传统磁致伸缩材料有铁、镍等,其磁致伸缩系数均很小,如铁为21×10-6,镍为-46×10-6。60年代发现了稀土金属Tb.Dy.Sm等在低温下有很高的磁致伸缩性能。为了提高该材料的使用温度,70年代初美国A.E.Clark等人又研究了这些稀土金属与Fe.Co.Ni等过渡族金属的金属间化合物,发现TbFe2、DyFe2、SmFe2等具有高于室温的居里温度,同时具有很高的磁致伸缩性能,但是它们的磁晶各向异性很大,即需要很大的磁场才能驱动,这就限制了该材料的应用。为此又研究了(Tb,Dy)Fe2等赝二元化合物,发现Tb1-xDyxFe2-y具有很好的磁致伸缩性能和低的磁晶各向异性,并发现该材料制备成单晶或晶粒取向的多晶后在压应力作用下在低磁场中磁致伸缩系数大大提高,即出现了所谓“跳跃效应”,这就使得这种材料的实际应用成为可能,因而引起了产业界对该材料及应用的广泛重视。这种材料的磁致伸缩系数为1500～2000×10-6,为传统磁致伸缩材料的几十倍到上百倍,所以称为“大磁致伸缩材料”或“超磁致伸缩材料”（Giant Magnetostrictive Materials,GMM）。 二．材料应用 由于铽镝铁大磁致伸缩材料（GMM）在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），同时铽镝铁大磁致伸缩材料（GMM）具有压磁效应（磁致伸缩的逆效应）,即在外力作用下材料磁化状态发生变化,因此可做成传感器。将传感和致动功能通过计算机有机的结合起来,形成了智能结构或智能系统,可以感知力、位移、振动、声、磁等进而根据需要作出响应,因而铽镝铁大磁致伸缩材料（GMM）是一种重要的智能材料。 1．在换能器方面的应用 转换成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转换功能材料。它在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。 海洋占地球面积的70％，海洋是人类生命的源泉，但是人类对海洋的大部分还缺乏了解。21世纪是海洋世纪，人类的生活、科学实验和资源的获及将逐渐的从山陆地转移到海洋。而舰艇水下移动通讯、海水温度、海流、海底地形地貌的探测就需要声纳系统。声纳是一个庞大的系统，它包括声发射系统，反射声的接收系统，将回声信息转变成电信息与图像，以及图像识别系统等。其中声发射系统中的水声发射换能器及其材料是关键技术之一。过去声纳的水声发射换能器主要用压电陶瓷材料（PZT）来制造。这种材料制造的水声换能器的频率高（20kHz以上），同时发射功率小，体积大，笨重。另外随舰艇隐身技术的发展，现代舰艇可吸收频率在3．0kHz以上的声波，起到隐身的作用。各工业发达国家都正在大力发展低频（频率为几十至2000赫兹），大功率（声源级约220dB）的声纳用或水声对抗用发射水声换能器，并已用于装备海军。低频可打破敌方舰艇的隐身技术，大功率可探测更远距离的目标，同时体积小，重量轻，可提高舰艇的作战能力。低频大功率是声纳用和水声对抗用发射水声换能器今后的发展方向。而制造低频大功率水声发射换能器的关键材料是稀土超磁致伸缩材料。发展稀土超磁致伸缩材料对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断层分析系统 O AT （Ocean Acoustic Topography）和海洋气候声学温度测量系统 A TOC （The Acoustic Thermometry of Ocean climate）的水声发射换能器，其信号可发射到1000km的范围，可用于测量海水温度和海流的分布图。 在换能器方面，铽镝铁大磁致伸缩材料（GMM）还可应用于声波发射器（无损探伤）、石油管道清洗和地质勘探。 铽镝铁大磁致伸缩材料（GMM）在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景。例如用该材料可制造超大功率超声换能器。过去的超声换能器主要是用压电陶瓷（PZT）材料来制造。它仅能制造小功率（≤2．0kW）的超声波换能器，国外已用稀土超磁致伸缩材料来制造出超大功率（6—25kW）的超声波换能器。超大功率超声波技术可产生低功率超声技术所不能产生的新物理效应和新的用途，如它可使废旧轮胎脱硫再生，可使农作物大幅度增产，可加速化工过程的化学反应。有重大的经济、社会和环保效益；用该材料制造的电声换能器，可用于波动采油，可提高油井的产油量达20％~100％，可促进石油工业的发展；用该材料制造的声音驱动器，振动力大，音质好，高保真，可驱动楼板、墙体、桌面、玻璃窗（但不破坏该物体）振动和发音，可作会议室、大教室、咖啡厅、大堂、水下等声音放大器及背景音乐播放器等。 2．传感器方面的应用 做为敏感材料，由于该材料的高抗压强度、高应变、高效率、高反应速度、使用条件宽等,利用该材料开发的冲击、振动、加速度、压力等传感器与同类传感器相比有大载荷、高强度、高灵敏度,适用于各种恶劣环境下,信号处理简单方便,体积小、成本低、寿命长、稳定性高。GMM智能传感器的优势为：首先是它的核心GMM材料能够承受700Mpa压应力,适应工作条件范围极宽,利用其压磁效应可制作传感元件,如：称重传感器,另外还可以将其传感与致动功能通过微机结合起来,形成传感致动一体化的智能机构,达到智能控制,将是现代化的发展方向。 在传感器方面，铽镝铁大磁致伸缩材料（GMM）已经开始应用于压力传感器和流量传感器两种类型。 用该材料可制造反噪声与噪声控制，反振动与振动控制系统。将一个咖啡杯人力反噪声控制器安装在与引擎推进器相连接的部件内，使它与噪声传感器联接，可使运载工具的噪声降低到使旅客感到舒服的程度（≤20dB）以下。反振动与减振器应用到运载工具，如汽车等，可使汽车振动减少到令人舒服的程度。 用稀土超磁致伸缩材料制造的微位移驱动器，可用于机器人、自动控制、超精密机械加工、红外线、电子束、激光束扫描控制、照相机快门、线性电机、智能机翼、燃油喷射系统、微型泵、阀门、传感器等等。 三．材料市场现状及展望 目前世界上仅有两三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先进材料。 近年来,随着大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。 在不久的将来,随着计算机自动控制技术的发展,稀土大磁致伸缩材料智能传感器将会有愈来愈多的重要应用。 有专家认为，稀土超磁致伸缩材料的应用可诱发一系列的新技术，新设备，新工艺。它是可提高一个国家竞争力的材料，是21世纪战略性功能材料。 中国传感器信息网版权所有