材料、信息与能源称为现代人类文明的三大支柱，其中材料最为基础，国民经济的各部门和高技术领域的发展都不可避免地受到材料—特别是高性能材料发展的制约或推动。传统的电工材料一般是指电工设备中常用的具有一定电、磁性能的材料，按其用途可分为４大类：绝缘材料、 半导体材料、导体材料和磁性材料。但随着科学技术的迅猛发展，各种新型高性能材料不断涌现，为电工及相关行业的发展起到巨大的推动作用，应用领域也在不断拓宽，因此，把应用于电工产品的材料和以电、磁性能为特征的新型功能材料均定义为电工材料，提出了新型高性能电工材料的概念［１］，目前主要包括超导体材料、超磁致伸缩材料、磁性液体材料、电（磁）流变液、压电（铁电）材料和磁光材料等。这些材料因其具有优异的性能，给电工行业带来了新的活力，在军民两用高技术领域有着广泛的应用前景。 １．１性能特点
铁磁材料或亚铁磁材料在居里点温度以下，在磁场中被磁化时，其长度和体积都要发生微小的变化，
这一现象称为磁致伸缩或磁致伸缩效应，它是焦耳（Ｊ．
Ｐ．Ｊｏｕｌｅ）在１８４２年发现的，故亦称焦耳效应［２］。目前，
磁致伸缩材料主要有三大类：镍和镍基合金、压电陶瓷材料（简称ＰＺＴ）和稀土超磁致伸缩材料。稀土超磁致伸缩材料主要是指稀土－铁系金属间化合物，以
Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ为代表。
稀土超磁致伸缩材料与压电材料（ＰＺＴ）和传统磁致伸缩材料Ｎｉ、Ｃｏ等相比，具有独特的性能：
１）在室温下的磁致伸缩应变大，可达０．１５％，比
镍的高４０￣５０倍，比压电陶瓷高５￣２５倍，如此大的应变量，可以实现很高的输出功率；２）能量密度（Ｊ／ｍ３）高，比镍高４００￣８００倍，比压电陶瓷高１４￣３０倍；３）产生收缩的响应速度快，响应时间仅１０－６ｓ，即对磁化和应力几乎即时响应；４）输出力大，负载能力强，可达到２２０￣８００Ｎ；５）能量转换效率高，机电耦合系数Ｋ３３＞０．７，即能量转换效率高于７０％，而镍基磁致伸缩材料只有不到２０％，压电陶瓷也只有４０％￣６０％；６）具有较
高的居里温度３８０￣４２０℃，工作性能稳定，可用于２００
颗粒冷却塔℃以上的较高温区，还可以通过成分设计调整温度特性；７）声速较小（ｃＨ≥１７００ｍ／ｓ），用于超声波元件可减小机械共振中所需要的尺寸；８）超磁致伸缩材料可
＊收稿日期：２００７－１０－１５；修回日期：２００８－０６－２６
基金项目：河北省百名优秀人才支持计划资助项目：河北省教育厅科研计划项目（项目编号２００６３３４）
作者简介：侯淑萍（１９７３－），女，河北邯郸，讲师，博士研究生；主要研究方向为现代工程电磁场数值计算与磁技术及应用。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｏｕｓｈｕｐｉｎｇｔｊｃｕ．ｅｄｕ。
超磁致伸缩材料的特性及其应用＊
侯淑萍１，２，杨庆新１，陈海燕１，闫荣格１，杨文荣１
（１．河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津３００１３０；
２．天津商业大学信息工程学院，天津３００１３４）
摘
要：超磁致伸缩材料因具有优异的性能，给电工行业带来了新的活力，在军民两用高技术领域有着广
泛的应用前景。着
重介绍超磁致伸缩材料的性能及其在各领域中的应用。关键词：超磁致伸缩材料；特性；综述；应用中图分类号：ＴＭ２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００４－２４４Ｘ（２００８）０５－００９５－０４
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌ
ＨＯＵＳｈｕ－ｐｉｎｇ１，２，ＹＡＮＧＱｉｎｇ－ｘｉｎ１，ＣＨＥＮＨａｉ－ｙａｎ１，ＹＡＮＲｏｎｇ－ｇｅ１，ＹＡＮＧＷｅｎ－ｒｏｎｇ１
（１．Ｐｒｏｖｉｎｃｅ－ＭｉｎｉｓｔｒｙＪｏｉｎｔＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＡｐｐａｒａｔｕｓＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，
ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３０，Ｃｈ
ｉｎａ；２．ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｏｍｍｅｒｃｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌｂｒｅａｔｈｅｓｎｅｗｅｎｅｒｇｙｉｎｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉａｎｉｎｄｕｓｔｒｙｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄｉｔｈａｓａｂｒｏａｄｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎａｒｍｙ－ｃｉｖｉｌｄｕａｌ－ｕｓｅ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｒｅｖｉｅｗ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
兵器材料科学与工程
ＯＲＤＮＡＮＣＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．５Ｓｅｐｔ．，２００８
高效节能蒸汽锅炉第３１卷第５期２００８年９月
第３１卷兵器材料科学与工程
承受高达２００￣７００ＭＰａ的压力，适于高压力的执行器、大功率的声学换能器等，当外加磁场为８０ｋＡ／ｍ时，产生压力在２９．４ＭＰａ以上，而压电陶瓷无法承受较大的压应力；９）频率特性好、频带宽，特别适合于低频区工作，在０￣５ｋＨｚ范围中转换成机械能方面优于任何材料，特别适用于制作水声换能器等；１０）用超磁致伸缩材料制备的器件驱动电压低，工作时需低电压驱动，而压电陶瓷则需几千伏的高压驱动。
鉴于超磁致伸缩材料的上述优良特性，在许多领域中有着重要的应用。
１．２物理效应
与磁致伸缩效应相关，重要实用意义的物理效应主要有：１）焦耳效应，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）维拉里效应，由于形状变化，致使其磁化强度发生变化的现象，即磁致伸缩的逆效应，可用来制作磁致伸缩传感器；３）ΔＥ效应，随磁场变化，弹性模量也发生变化的现象，可用于声延迟线；４）维德曼效应，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）维德曼逆效应，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现象，可用于扭转传感器；６）跳跃效应，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；
７）倍频现象，在正负磁场的作用下，Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ都伸长变形，其产生机械运动的频率是外加电流频率的两倍，这是它特有的现象，因此，在磁致伸缩棒器件设计时，要加一个偏置磁场来消去倍频，使其机械运动在线性区间内；８）磁致伸缩波的发生及传输效应，如在细长高磁导率材料的一端发生磁场变化，则磁致伸缩量也会随时间变化，即发生磁致伸缩波（弹性波转变为超声波）；该磁致伸缩在材料中的传输，也会诱发磁化时间的变化，并传输到材料的另一端。
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。
１．３应用
由于超磁致伸缩材料，在磁场作用下长度发生变化，发生位移而做功；在交变磁场作用下，发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，将电磁能（或电磁信号）转换成机械能或声能（或机械位移信息，或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移与信息）转换成电磁能（或电磁信息），这样可以制成功率电－声换能器、电－机换能器、驱动器、传感器和电子器件等，广泛应用于海洋、地质、航空航天、运输、加工制造、医学、计算机、机器人、仪器、电子及民品等技术领域。１．３．１在磁（电）－声转换技术中的应用［２￣６］
电磁波在液体和固体中因衰减过快无法应用，而声信号在液体和固体中衰减较小，因而成为液体和固体进行探测、通信、侦察和遥控的主要媒介。发射和接收声信号的器件称为水声换能器，是声纳的核
心元件。对于水声换能器来说，发射的频率越低，声信号在水中衰减越小，传送距离越远，受潜艇涂层噪音的干扰也较小。为了提高声信号的分辨率，还要求换能器具有较宽的频带响应和多指向性。由于超磁致伸缩材料具有应变大、功率密度大、低频（＜２ｋＨｚ）响应好、频带宽等特点，是制作大功率、小体积、低频、宽频带水声换能器的理想的材料。因而超磁致伸缩材料的最早应用是作为水声换能器的核心材料，用稀土超磁致伸缩材料制造的水声换能器其能量密度为压电换能器的１０倍，工作距离超过１０４ｋｍ，是压电换能器的几十倍，而且它还具有比传统材料低一半的声速。为了改善水声换能器单指向性的特点，对活塞型水声换能器进行了改进，研制了环型的超磁致伸缩水声换能器［３］，这种结构的水声换能器具有４个超磁致伸缩棒，线圈中的驱动电流以相同的相位激磁，使超磁致伸缩棒同时振动，导致换能器沿壳体径向发出具有多指向性的声波。因此，各发达国家都在大力开发用稀土超磁致伸缩材料制造的低频、大功率的声纳用或水声对抗用水声换能器。
在声纳领域成功应用的基础上，应用超磁致伸缩材料研制了大功率超声换能器。由于超声换能器工作频率高，存在高频下的涡流损耗问题，为了克服涡流损耗，通常将超磁致伸缩棒切成片状，然后将片状材料涂上绝缘树脂，最后将涂上绝缘树脂的片状材料叠层制成超磁致伸缩棒。大功率超声换能器可应用于超声清洗、加工、分散和浮化、声化等方面。超声振动使液体产生“空化效应”，瞬间产生大量气泡并破裂，产生局部高温、高压和机械冲击力，可以用于清除物件表面杂质、污垢或油腻。超声焊接是利用超声波的机械振动，使被焊接件在一定压力下通过原子键的键合，实现固相连接。美国ＥＴ
ＲＥＭＡ公司用Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ制成了３ｋＷ的超声换能器，用于废旧轮胎破碎，可长时间连续工作，破碎的橡胶脱硫后再制成新轮胎，既解决了轮胎资源不足的问题，又解决了轮胎污染环境的问题。该公司还制作了Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ超声外科手术工具，操作方便，安全可靠。其尺寸比压电陶瓷ＰＺＴ工具小一半，功率提高５０％。
１．３．２在磁（电）－机转换器件中的应用［７￣１１］
超磁致伸缩精密致动器是改善自动控制技术、提高产品精度及反应速度的新一代致动器，具有输出力
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第５期
穿孔塞焊大、漂移小、移动范围大等特点。它不仅能克服传统电致伸缩致动器的缺点，而且其电机转换效率具有其它材料无法比拟的优势，如在精密阀门、精密流量控制、数控机床、精密机床的给进系统方面，用精密致动器，位移精确度可达纳米级，响应速度快，输出力大，设计相对简单。日本茨城大学江田弘和东芝公司的Ｋｏｈａｙａｓｈｉ合作设计了定位精度达到纳米级的超磁致伸缩致动器，并将其成功地应用于大型光学金刚石车床的微进给装置。
稀土超磁致伸缩材料驱动器向高速、大行程发展就成为微型马达。超磁致伸缩马达是利用超磁致伸缩
哺乳睡衣材料的磁致伸缩效应，在驱动磁场的激励下，由磁致伸缩振子（马达定子）将电磁能转换成机械能，并通过定子和转子间的接触摩擦力推动转子运动，输出力或转矩。这种马达与传统的电磁马达或压电超声波马达相比，具有体积小、输出力大、能量密度高和控制精度高等优点。稀土超磁致伸缩马达主要用于自动操作器、机械手、机械人、大行程阀门操作器及工具、造纸、塑料、金属架构的大行程精密定位系统等。
采用超磁致伸缩棒可制成驱动元件的燃料注入阀，它由超磁致伸缩棒、驱动线圈、阀壳、预应力弹簧、燃料管、法兰盘、燃料注入管、喷嘴等组成。燃料注入阀由一根具有负磁致伸缩系数的棒去打开阀针。但驱动线圈中的电流为零时，燃料注入阀中的阀针将燃料关闭；当驱动线圈中通有电流时，燃料注入阀中的阀针打开允许燃料流过。这种燃料注入阀可实现对燃料的精密、瞬时控制，使燃料充分燃烧，减少污染。它在汽车和飞机等内燃机中已得到应用。随着现代工业自动化程度的提高，数字化液压元件的开发应用将是今后液压技术发展的一个方向，开关式数字液压阀，不同于依靠开口度（液阻）大小调节流量参数的传统液压阀，它类似于电气系统中广泛采用的ＰＷＭ技术，利用阀芯周期性高速开关时的通断比来调节流量，故对阀芯的控制不再是模拟的位移信号，而是对应阀芯通断的数字信号。张雪梅提出并研制的超磁致伸缩材料致动器高速数字开关阀具有高速动态响应特性、功耗小、受温度影响低、工作寿命长等特点。其工作原理是：通过计算机发出的电信号来控制线圈电流的通断，使超磁致伸缩棒伸长或缩短，因其位移量小，故采用一个位移放大杠杆机构，增大位移量，利用
阀芯高频开关，来调节液流特性。该超磁致伸缩材料致动器高速数字开关阀既可作为二级大流量高速开关阀的先导阀，也可直接作为一级高速开关阀，应用于流体脉宽调制电液数字控制系统。随着超磁致伸缩材料应用于流体器件开发研究工作的展开，以ＰＷＭ方式控制的高速开关阀在各个领域的应用越来越广泛，在流体传动及控制技术领域开展这方面研究将有助于更好地满足日益提高的市场需求，从而推动流体传动及控制技术研究的发展。除此之外，美国的Ｍ．Ｇｏｏｄｆｒｉｎｅｄ等人用超磁致伸缩材料转换器作为驱动器改造了一台比例滑阀，它是直接利用超磁致伸缩棒的输出位移对比例阀进行控制，在３００Ｈｚ时该阀芯位移达０．０３１ｃｍ，其最高驱动信号频率可达５ｋＨｚ。日本的ＴａｋａｈｉｒｏＵｒａｉ等人用超磁致伸缩转换器设计了直动式伺服阀，它的原理是通过线圈中的电流产生磁场，使超磁致伸缩转换器直接连接的阀芯产生位移，并按照其位移量大小来控制阀口流量。超磁致伸缩执行器应用于流体控制元件，可极大的提高它们的性能，这是因为超磁致伸缩执行器具有响应速度快，输出力大，耐污染并可在低磁场强度下动作等特性。目前，超磁致伸缩材料应用于流体器件的开发研究工作尚处于起步阶段，但其应用已给流体控制技术注人新活力，作为一个稀土资源大国，我们应抓住这个机遇，迎接高新技术的挑战。
１．３．３在检测领域中的应用［１２￣１６］
利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩正效应或逆效应可以制作检测磁场、应变、位移、扭矩、压力和电流等的传感器敏感元件。
利用稀土超磁致伸缩材料在磁场中产生应变的原理，结合激光二极管或ＰＺＴ材料可以制成各种测磁仪。１９９１年美国开发出一种ＧＭＭ激光二极管磁强计，精度为１６０×１０－１５Ａ／ｍ。国内成功开发出磁场光纤传感器原型，将磁场传感器由传统磁－电类型升级为更可靠和灵敏度更高的磁－光类型；美国海军采用超磁致伸缩材料开发了磁致伸缩应变计，它与传统的半导体应变计相比具有更大的动态范围、更高的灵敏度和精度，并且它的温度依赖性小，可测的频带更宽，可测应变量最小达到３×１０－１０。
利用超磁致伸缩材料的压磁效应研制的压磁式压力传感器，运用了磁场平衡原理，当传感器受力时，压力方向和垂直于压力方向上的磁场不再均匀分布，这样就会在输出线圈中产生磁通，激发线圈产生二次电压信号。压磁式压力传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、寿命长、维护方便、能适应恶劣工作环境等优点，在自动化控制系统中有良好应用前景。国外利用Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ的压磁效应研制的用于检测地震波的加速度传感器，在实际应用中获得良好的效果。
多元稀土铁化合物存在一个补偿温度，在此温度下其热膨胀系数从５×１０－６Ｋ－１突然增大到１１５×１０－６Ｋ－１，弹性模量亦发生锐变，并可通过改变磁场或材料成分
侯淑萍等：超磁致伸缩材料的特性及其应用９７
第３１卷兵器材料科学与工程
来改变补偿温度，利用该特性可制作热膨胀检测器件。
由于稀土超磁致伸缩材料的弹性模量（Ｅ）在磁场中的变化极大（１５０％），所以声速（ｖ）也变化很大（声速ｖ正比于Ｅ），这一特性可用来设计可调谐的声波器件、声纳的相位传感器、振荡器等，可变延迟线可用于雷达、声纳的相位传感器和电子计算机的存储元件。
日本东芝公司Ｍ．Ｓａｈａｓｈｉ等发明了用磁致伸缩薄膜制作的接触型扭矩传感器，其动态范围大、响应快，灵敏度比用传统金属电阻薄膜制成的扭转应变计高１０倍。螺线管式压磁效应扭矩传感器为非接触型扭矩传感器，安装方便，可检测瞬时扭矩，并且灵敏度高，易于小型化，是当前研究的主流。
自传感执行器（ｓｅｌｆ－ｓｅｎｓｉｎｇａｃｔｕａｔｏｒ，简称ＳＳＡ）指的是既是执行器又为传感器，即同时具有传感、执行能力的一体化器件，是随着智能材料、现代控制理论、微电子学（ＭＥＭＳ）等学科的发展而出现的一种新颖器件。ＳＳＡ是基于单一材料的双重作用（传感、执行），所以对所用的材料有一定的要求。从能量角度来看，要求作为ＳＳＡ的材料对能量的转换是可逆的，即要求电一机、磁一机或其他类型的耦合关系可逆，自传感超磁致伸缩执行器正是基于超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应和逆磁致伸缩效应。ＳＳＡ不仅在结构，而且在功能上实现了集成。与传统的传感器和执行器相分离的情况相比，具有很大的优越性，主要体现在以下几点［１５］：１）结构上，由
于传感和执行器合二为一，使得ＳＳＡ结构紧凑，占用空间小、系统趋于小型化；２）功能上，对于整个系统来说，由于传感信号的输出和执行信号的输入是同一点，可实现同位控制；３）以ＳＳＡ为基础制成的灵巧单元具有初级的智能，可组成自律微机电系统，从而提升整个系统的性能。总之，自从磁传感器作为一种独立产品进入应用以来，基于磁致伸缩效应的传感器的应用领域也在不断的拓展。
２展望
磁致伸缩材料已从传统的力学、磁学领域扩展到声学、生物医学等新型应用领域，其传感器由最初的应力、应变、磁场传感器扩展到水声换能器、电声换能器、磁弹性延迟线数字化仪、磁声键盘系统、生物机械传感器、呼吸传感器和软热系统等。随着科学技术的不断发展，磁致伸缩材料的应用领域将不断拓展，因而具有非常广泛的应用前景。
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Ｒａｏ．Ｉｎｂｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｍａｇｎｅｔｉｃ，ｍａｇｎｅｔｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，ａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅＴｂ０．２７
Ｄｙ０．７３Ｆｅ２－ｃＣｏｘｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＡｐｐｌＰｈｙｓ，１９９３，７３（５）：１３８０－
１３８５．
９８
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