第三章-声纳材料.ppt

ATOC-海洋气候声层析 四. 声纳用材料 磁致伸缩效应： 大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。另外有些物质（多数是金属氧化物）在电场作用下，其尺寸也伸长（或缩短），去掉外磁场后又恢复其原来的尺寸，这种现象称为电致伸缩现象。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）λ来描述，λ＝（lh—lo）／lo， lo为原来的长度，lh为物质在外磁场作用下伸长（或缩短）后的长度。一般铁磁性物质的λ很小，约百万分之一，通常用 ppm代表。例如金属镍（Ni）的λ约40ppm。 磁致伸缩材料 ①磁致伸缩的金属与合金，如镍和镍（Ni）基合金（Ni， Ni－Co合金， Ni－Co－Cr合金）和铁基合金（如 F e— Ni合金， Fe－Al合金， Fe－Co－V合金等） 磁致伸缩材料 ②铁氧体磁致伸缩材料，如 N i－Co和 Ni－Co－Cu铁氧体材料等。前两种称为传统磁致伸缩材料，其λ值（在20—80ppm之间）过小，它们没有得到推广应用，后来人们发现了电致伸缩材料，如（ Pb， Zr，Ti）C03材料，（简称为 PZT或称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约200~400ppm，它很快得到广泛应用. 磁致伸缩材料 3. 近期发展了稀土金属间化合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材料。 稀土超磁致伸缩材料：以（ Tb，Dy）Fe2化合物为基体的合 金 Tb0.3Dy0.7Fe1.95材料（Tb –Dy-Fe材料）的λ达到1500~2000ppm，比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料的λ大1~2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。 稀土超磁致伸缩材料特点 和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸缩材料是佼佼者，它具有下列优点：磁致伸缩应变λ比纯 N i大50倍，比PZT材料大5—25倍，比纯 N i和 Ni－Co合金高400~800倍，比PZT材料高14~30倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约l0mm的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力：能量转换效率（用机电耦合系数 K33表示）高达70％，而 Ni基合金仅有16％，PZT材料仅有40~60％；其弹性模量随磁场而变化，可调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。 稀土超磁致伸缩材料及器件现状 稀土超磁致伸缩材料的制备技术主要采用定向凝固方法和粉末冶金方法。近年来，定向凝固法通过增加母合金中稀土元素含量，弥补制作过程中的稀土烧损；控制温度梯度和热流方向，采用适当的退火工艺，改进组织结构；同时不断改进制作设备。 稀土超磁致伸缩材料及器件现状 2003年北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心自行研究开发了“一步法”新工艺，将熔炼－定向凝固－热处理等工序在一台设备上连续完成，可用来制备大直径、高性能、低成本的稀土超磁致伸缩材料，且易于批量生产。用这种工艺研制的稀土超磁致伸缩材料成本仅为国际售价的18%，现已成功生产出直径70mm，长250mm的TbDyFe2超磁致伸缩棒材，主要技术经济指标均达到国际先进水平。 稀土超磁致伸缩材料及器件现状 武汉理工大学首创了以提拉法无污染磁悬浮冷坩埚技术为核心的整套单晶制备和加工新技术，生产的Tb0.3Dy0.7Fe1.9单晶，超磁致伸缩系数为2000×10-6～2400×10-6。 稀土超磁致伸缩材料及器件现状 粉末冶金方法也在不断改进，国外粘结磁致伸缩材料的磁性能已接近定向凝固棒材，?Sandual等学者制作的粘结磁致伸缩材料的磁致伸缩效应可与Terfenol-D相当。 磁致伸缩材料的应用 用稀土超磁致伸缩材料制作的水声换能器和电声换能器已成功用于海军装备、油井探测、扬声器、噪声与振动控制系统、海洋勘探与地下通讯等领域。近年来，薄膜型超磁致伸缩微执行器的开发与应用成为一个新的研究热点，与传统的压电式、静电式形状记忆合金驱动器相比不仅成本较低，而且输出力大、响应速度快，还具有一些新的功能。德国材料研究所用稀土超磁致伸缩薄膜材料制作的微型泵，当控制频率在2KHz时，最大流量为10μL/min，出口压力可达1hPa。 磁致伸缩材料的应用 对于稀土超磁致伸缩材料的应用，目前美国位居各国之首，其成功标志在于开发出了一系列用于军事用的尖端产品，如美国已成功地将其应用于舰艇水下声纳探测