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    磁致伸縮位移傳感器材料及選擇要素

    2021-5-6 186

    1. 材料的飽和磁致伸縮系數λs盡可能大;

    2. 材料的磁晶各向異性能應足夠大。沒有足夠大的各向異性能,也就不可能有大的磁致伸縮,但是各向異性能不能太大,否則,將使磁矩轉動所需要的磁場太大,無法在較低的磁場下得到較大的磁致伸縮;

    3. 材料的(λ-H)曲線的最大斜率 d=( dλ⁄dH)max要大。這樣,材料將電磁能轉換為機械能效率也就較高;

    4. 要求材料有盡可能大的機電耦合系數(或磁彈耦合系數);

    5. 具有一定抗壓強度(對正磁致伸縮材料)和抗拉強度(對負磁致伸縮材料)和一定的韌性,以免材料在發生磁致伸縮時,由于外應力作用而導致磁致伸縮的失效和損壞;

    6. 溫度特性要好。導絲是磁致伸縮位移傳感器的關鍵材料,各種參數的溫度變化是決定傳感器溫度特性的主要因素,尤其是扭轉波的傳播速度的溫度系數一定要盡量小; 為了得到實用的、高性能的磁致伸縮材料,人們對此一直在進行著研究,因此出現一系列磁致伸縮材料,按

    其發展過程主要有以下三種類型;

    (一) 傳統的磁致伸縮金屬與合金、鐵氧體及非晶材料

    ① 傳統的磁致伸縮金屬與合金包括退火純鎳,鎳鈷合金,鐵鎳合金,鐵鋁合金等。

    ② 鐵氧體磁致伸縮材料包括 Ni-Co 鐵氧體和 Ni-Co-Cu 鐵氧體,這些材料的組分可根據對性能的不同要求而進行適當的調節。通常,它們均由不同比例的氧化鎳(NiO)、氧化鐵(Fe₂O₃)、氧化銅(CuO)和氧化鋅(ZnO)等配制而成。

    ③ 非晶材料主要有鐵基、鐵一鎳基和鈷基三大類。即內部原子排列不存在長程有序的金屬或合金。

    (二) 非稀土類的磁致伸縮材料。這類材料最突出的是 Ni-Mn-Ga 系列鐵磁性形狀記憶合金(FSMA),它在磁場作用下能誘發產生百分之幾的巨大應變。

    (三) 稀土超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Materials,GMM) 它們是重稀土金屬鋱(Tb-terbium)和鏑(Dy-dysprosium)的鐵合金,磁致伸縮系數高達(1~2)×10﹣3(0.1~0.2﹪),比傳統制品的性能高兩個數量級以上,因此稱為超磁致伸縮材料。如 TbFe₃(Terfenol)和 Tbo.₃Dyo.7Fe₂(Terfenol-D)等。

    ① 稀土金屬,特別是重稀土金屬在低溫下具有很大的磁致伸縮,在 0K 和 77K 時可達 10﹣3~10﹣2的量級。由于稀土金屬的居里溫度較低,在室溫下不能直接應用。

    ② 稀土—過渡金屬化合物是 1969 年 Callen 根據過渡金屬電子云的特征提出,這種化合物具有較高的居里溫度點。稀土金屬氧化物如 Tb3Fe5O12 在 4.2K 時,磁致伸縮系數為 2460×﹣6,在 78K 時,磁致伸縮系數為 560×10﹣6。

    ③ 錒系金屬化合物在低溫下也具有較大的磁致伸縮,有的甚至超過了稀土化合物,如 US 在 4.2K 的λ111高達 7000×10﹣6。但這些化合物的居里溫度只有 100K左右,難以在工程中實際應用。

    ④ 超磁致伸縮復合材料是為了克服 Terfenol-D 棒材脆性大、加工困難、高頻磁場作用時材料發熱等缺點而研制的,它是基于超磁致伸縮合金的聚合物黏結復合材料(giant magnetostrictive powder composite, GMPC),可以極大的克服上述缺點。GMPC 將會成為 Terfenol-D 超磁致伸縮材料的一個新的發展方向。



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