智能磁性材料及其应用

作者：中国西南应用磁学研究所 余声明

欢迎访问e展厅 展厅 17 磁性材料展厅 磁芯, 铁氧体, ... 摘　要：阐述了智能材料的基本概念，介绍了三种具有智能功能的磁性材料棗磁性液体、磁流变液和稀土超磁致伸缩材料及其应用。 关键词：智能材料；磁性液体；磁流变液；磁致伸缩材料；应用 1 前言 材料是人类进步的标志和里程碑，是能为人们制造有用器件的物质。像建筑材料、金属材料、陶瓷材料等关系我们衣、食、住、行之类的东西，常常称做普通(或传统)材料。随着科学技术的飞速发展，在航空航天、电子、电力、石油工业、通信等领域里，对使用的材料提出了更新、更高的要求，因此寻求新的、具有比传统材料更优异性能的材料则是当代材料科学发展的必然趋势。这种新材料已成为当今高新技术的一种象征。一些具有特殊功能的智能材料、超导材料、非晶材料、纳米材料、生物材料等，已成为推动社会发展和人类进步极为重要的物质基础。 本文在阐述智能材料的基本概念之后，着重介绍了三种智能磁性材料即磁性液体、磁流变液和稀土超磁致伸缩材料与应用。 2 智能材料的基本概念[1] 在航空发展史上，人们都记得高速飞行的飞机若偶遇高空寒流、大风或者受力等情况，往往会发生机翼或机体断裂甚至机毁人亡的悲惨事故，这是我们不希望的。如果在飞机刚一出现断裂时能自动“打上绷带”进行自我抢救即可避免不幸事故的发生。这种能给飞机自动“打上绷带”的材料就是一种智能材料或机敏材料。它是20世纪80~90年代迅速发展起来的新型功能材料，它能把高技术传感器(或敏感元件)与结构、功能材料结合为一体成为一种有“感觉”、“感知”并能自我修复、似乎具有生命活力的材料。 例如在一种高性能复合材料中嵌入细小的纵横交错的光纤材料，就像“神经”那样会感觉出飞机所受的不同压力。测量光纤传输光时的各种变化即能测出所受的压力，在极端条件下光纤会断裂而信号中断并发出警告，这就是智能材料的功能。 如此说来，智能材料就是模仿生命系统，能感知应力、热、光、电、磁、化学等环境条件的变化，而且能实时地改变自身一种或多种性能参数，作出人们所期望的、与变化后的环境相适应的响应从而予以控制的一种复合材料。也就是说智能材料应当具有将感知(传感器)、执行(驱动器)和信息三者集于一体的功能，使无生命的材料变成了似乎有生命的系统。 3 智能磁性材料及其应用 具有上述智能功能的磁性材料目前有三种，即磁性液体、磁流变液和稀土超磁致伸缩材料，下面分别予以介绍。 3.1 磁性液体[2, 3] 磁性液体(Magnetic liguid)又称磁性流体(Magnetic fluid)或铁磁流体(Ferrofluid)、磁性胶体(Magnetic colloids)，通常简称磁液。它是由纳米级铁氧体(如Fe3O4、Co-Fe2O4、MnZn等)、Fe、Ni、Co金属及其合金或铁磁性氮化铁FexN(2＜x≤8)超细磁性颗粒借助表面活性剂高度、均匀弥散于载液(基液)(如有机溶剂、油或水)中所形成的一种稳定的胶体溶液，是固、液相混的二相流体，兼有液体的流动性和磁性材料的磁性，目前还发展了复合磁性液体材料。因此磁性液体有着一般固态磁性材料所不具备的独特的性质和功能，在电、磁、流变力学、声、光、热等方面显现出多功能的特点，所以它一出现就受到世界各发达国家的重视并广泛应用于科学和工程技术领域中，现已深入到电子、化工、能源、冶金、仪表、环保、医疗等各个领域，显现出广阔的市场前景。 当外磁场作用于磁液，磁性粒子的磁矩立刻沿磁场方向取向，其全部磁液的磁化强度随着磁场的增强而增强；当取消外场时磁矩很快就随机化了。在一个梯度磁场中磁液被磁化并且向高场区移动。这就意味着磁液可以精确定位并由外磁场加以控制。磁液产生的这种保持力取决于外加磁场强度和磁液的饱和磁化强度值，这是其一。其二，磁液的流变粘度随外加磁场增强而增高，从而它的阻尼作用也增大。因此这两种功能均受外加磁场所控制，显然具有了智能化的特性。 利用前一种特性可在机器人中制作机器人关节和机械手(图1、图2)。在图1所示的机器人关节中，(a)为机器人关节，(b)为促动器驱动源。当把磁液充入柔软的薄膜密封容器内时便构成了一个驱动源，将它装在机器人两臂之间。控制容器内通电线圈的通与断即可使密封容器内的磁液界面发生形变而动作，从而形成了一个柔软的关节。这种关节具有灵活、驱动轴不易打滑、无磨擦、寿命较长的特点。 图2为工业用机械手夹钳示意图，利用气缸4内的空气使活塞3移动以驱动永磁体2。由于永磁体的移动，使磁液5受到的磁场强度产生变化，从而使磁液受到不同的体积力，驱使弹性膜发生不同形变，夹钳6即可自由动作。 应用后一特性可制作各种阻尼器、减震器、缓冲器、联轴器、制动器和阀门等。图3为一种惯性阻尼器结构示意图。可见，圆柱状永磁体6作为惯性材料被悬浮于磁液5中而构成了阻尼器。在运行时，阻尼器同心地与马达的轴2联接，通过磁液膜被剪切而建立起来的粘滞剪切力消耗掉由旋转轴2接收来的旋转能，从而实现阻尼。 3.2 磁流变液(MRF)[1, 4] 磁流变液(Magnetorheological fluid，MRF)是一种具有良好发展前景和工程应用价值的新型智能材料，它是由微米级(1~10m)磁性颗粒(如铁(Fe))、钴(Co)、镍(Ni)及其合金、铁氧体等)、载液(如矿物油、硅油、水和其他复杂的混合体等)和表面活性剂组成的稳定的悬浮液体。在外加磁场作用下，会产生明显的磁流变效应：在固体与液态之间进行毫秒(ms)级快速可逆转化，其粘度保持连续无级可控，可实现实时主动控制，耗能极小，因而在航空航天、机械工程、汽车工业、精密加工、建筑工程、医疗卫生等领域广泛应用，可完成智能传动、制动、减振、降噪等功能，制成阀式、剪切式和挤压式各类磁流变液器件，如液压控制伺服阀、离合器与制动器、振动悬架、减振器等。 磁流变液的粘度在磁场作用下会逐渐增大，当磁场强度大到一定值时由液态完全转变成固态，其过程快速可逆，这是最引人注目的特性；同时磁流变液具有较大的屈服应力，在240kA/m时可达100kPa，是电流变液的20~50倍；并且磁流变液具有良好的动力学和温度稳定性，因而近年来受到了国内外科技界和工业界的高度重视，美国、日本、德国等国的许多科学家和一些企业纷纷投资开展研究，并且已有产品专利与不同型号的磁流变液产品上市。 图4是美国Lord公司推出的轻负载阻尼器SD-1000-2型结构示意图。该减振阻尼器总长(活塞伸出后)21.5cm，缸体直径3.8cm，共用磁流变液50ml，行程±2.5cm。在0~3V直流电压下活塞头部线圈产生0~1A的电流，于是在活塞头部流孔周围产生磁场以控制MRF的流通使其变粘直至固化，从而改变阻尼大小。这种阻尼器最大功率小于10W，产生的阻尼力超过3000N，在－40~150℃温度范围内变化率小于10%，响应时间为8ms。一种商品化的磁流变液卡车座位减振器，全长15cm，有效流体需量仅0.3cm3，耗功仅15W，代替普通减振器，使卡车座位振幅减小50%以上(图5)，大大减少了卡车司机在矿山崎岖道路上驾车的危险。 可见磁流变液的优点是突出的，其应用前景相当诱人。 3.3 稀土超磁致伸缩材料[1, 5] 3.3.1 磁致伸缩与稀土超磁致伸缩材料 在外加磁场作用下，材料的尺寸和体积发生改变的效应称为磁致伸缩效应。具有磁致伸缩效应的材料即称为磁致伸缩材料，而最具实际用途的是尺寸发生改变的线磁致伸缩材料，其特征参数是饱和磁致伸缩系数λs、饱和磁化强度Ms、机电耦合系数K。 磁致伸缩材料可作为智能驱动器、应力(应变)传感器得以应用。而具有高灵敏度特性则是驱动器、传感器的必备条件。比一般磁致伸缩材料的磁致伸缩系数(效应)高一个数量级，具有更大应变或更宽适用温度范围的磁致伸缩材料如Terfenol-D(Tb0.27Dy0.73Fe2)，即称为超(大)磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Materials, GMSM)，其λs=30×10－6。目前具有高磁致伸缩系数的金属与合金大体分为三类： (1)传统材料 K=0.6。所以这种具有超磁致伸缩的材料称为稀土-铁系超磁致伸缩材料，它最具实用价值。 3.3.2 稀土超磁致伸缩材料的智能化应用 (1)性能优势 以Terfenol-D为代表的稀土超磁致伸缩材料作为一种新的高效磁(电)能-机械(声)能转换材料，其性能远远优于压电陶瓷(PZT)等其他材料，表1是Torfenol-D、Ni和PZT的物理性能比较。可见Terfenol-D材料的磁弹性、声学力学、磁电热性能呈现出明显的优势，因此将其作成换能器则具有大位移、强力、大功率、精密控制、快响应、高可靠、磁(电)-机转换效率高、频带宽、能量供应简单等优点，所以在智能化应用方面有着广阔的前景。 (2)智能化应用 应用Terfenol-D材料的性能优势可制成大量应用器件，如磁(电)-机械换能器(驱动器)、传感器和电子器件，至今已有千种之多，表2示出了应用的基本情况。 美国海军于20世纪80年代初开始研制Terfenol-D水下声纳，图6为6节环状声纳示意图。每单节由永磁体产生偏磁场，螺线管产生交流磁场，随着磁场的变化环就膨胀收缩将声波发射出去，其性能良好。表3是两种声纳弯张换能器的比较。日本用Terfenol-D驱动单元装置了8单元环状换能器，工作距离为10000km，而压电换能器在水下的工作距离仅300km，使用2年未出现过故障。 4 结束语 智能材料是本世纪材料科学技术发展的重要方向之一，智能磁性材料是其中的一个成员，磁性液体、磁流变液和稀土超磁致伸缩材料具有优异的智能功能，因而具有良好的应用前景，不久将会成为磁性材料发展的重点。 参考文献 [1] 杨大智. 智能材料与智能系统[M]. 天津：天津大学出版社，2000(第1版). [2] 邹继斌, 陆永平. 磁流体密封原理与设计[M]. 北京：国防工业出版社, 2000. [3] 沈能珏, 等. 现代电子材料技术[M]. 北京：国防工业出版社, 2000. [4] 刘丁雷, 李德才, 袁祖贻. [J]. 新材料新工艺, 1999, (6): 14. [5] Kordonski W I. [J]. J Magn Magn Mater, 1993, 122: 395.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/24/2005)