智能金属材料

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1、主要内容,形状记忆合金 形状记忆聚合物 金属材料自预警、自修复 超磁致伸缩材料,引言,许多应用领域从安全性和可靠性角度出发期望材料在受到损伤时具有自检知、自判断和自行动功能。 自行动功能分为自预警、自适应和自执行三种类型。 自预警功能即信号功能，当材料有损伤或外界刺激因素的强度超出某阈值时，材料会发出诸如变色、发热、声波、电磁异常等信号。 自适应功能，指材料可通过自身内部结构的调整来适应刺激因素的变化。 自执行功能，指材料受刺激因素作用后可完成的一定的机械动作等。,2.2 金属材料自预警、自修复 2.2.1 金属材料损伤机制与自预警和自修复功能,损伤机制,实际应用中，在保证强度前提下允许材料内

2、部有微孔存在。,*缺陷尺寸越大，越易受损伤，所需疲劳破坏应力就越小，但当缺陷小于一定的极限尺寸时，疲劳强度不再受其影响。,*微孔或缺陷导致材料在使用过程中因产生疲劳裂缝和蠕变变形而受到损伤。,自预警功能：在材料内部的微孔中预埋入可产生声波的物质，当材料受到损伤，微孔扩展成较大裂缝时，预埋物质产生声响，实现报警。,自修复功能：在材料内部分散或复合裂缝扩展时能发生相变的物质、促进氧化过程的物质或一些功能性物质。材料受损伤时，这些物质受作用而发生某种变化，抑制损伤进一步发展，实现自修复。,自预警、自修复构思,2.2.2 自修复类型,按照修复剂在材料内部分散的尺度分为： (1)微量元素型：纳米乃至原子

3、尺度，加入量很少，如B、N、Zr等。,含微量N和B的不锈钢SUS304,内部微孔或缺陷满足高温、真空条件，其表面形成BN膜，阻止其它原子扩散迁移，稳定了微孔表面-有效抑制和补强修复高温高载荷下的蠕变损伤。,高温高真空下表面形成的BN膜剥离或损伤后，还可通过真空加热而再生自修复功能。,表面伤口、裂纹自修补,不锈钢：金属Cr 氧化膜 金属铝：氧化铝保护膜 钛铝合金高温发动机：易氧化元素在高温下自动形成修补物质,(2)微球型：微米级别，如Y2O3、ZrO2、Cr2N等微粒。,钼钢中分散二氧化锆微粒 材料内部裂缝扩展时，二氧化锆粒子发生相变，缓解尖端的应力集中，从而阻断损伤，相当于对材料进行了补强修复

4、。,Fe-Cr合金中分散Y2O3微球 Y2O3微粒可捕集有害的硫，形成稳定的Y2S3，从而对裂纹尖端氧化膜起到补强作用，抑制裂缝发展，大幅提高Fe-Cr合金的疲劳裂化临界值。,(3)丝线、薄膜型 在材料内部埋入功能性丝线或表面涂覆功能性薄膜，直径或厚度在毫米以下。 功能物质：压电陶瓷、形状记忆合金等。,Al合金中排列TiNi形状记忆合金长纤维 通过热处理使SMA纤维产生收缩变形，在Al母材中产生残留压应力，使材料内部的损伤裂缝自动闭合，实现强韧化。,聚合物中埋入TiNi形状记忆合金细线 丝线附近产生损伤裂缝时，丝线受到作用，电流流通使合金丝线温度升高，发生形状记忆而拉紧，从而使裂缝闭合或缩小，

5、实现自修复。,2.3 超磁致伸缩材料,磁致伸缩现象(效应)： 铁磁性物质在外磁场中被磁化时,其长度、尺寸及体积大小均发生变化 ；去掉外磁场后,其又恢复原来长度与体积的现象。,磁致伸缩材料 材料内部小磁畴在外磁场作用下发生偏转并沿磁场方向取向从而引起材料产生应变的材料。,2.3.1 磁致伸缩效应及其表征,(1)磁致伸缩效应,磁致伸缩逆效应：Villari 当外加应力使材料产生应变时，材料的磁化曲线发生可逆性变化。通常材料在应力方向（或垂直方向）上将产生磁化强度的变化。也叫压磁效应或磁弹性效应。,磁致伸缩效应： 1842年 焦耳 在磁场中磁化状态改变时，铁磁和亚铁磁材料,1)线磁致伸缩 磁体磁化时

6、，伴有晶格的自发变形，即沿磁化方向伸长或缩短，体积几乎不变，只改变磁体的外形。 变化数量级：l0-610-5。 在磁化未达到饱和状态时产生。,一般磁致伸缩均指线磁致伸缩。,2)体积磁致伸缩 饱和磁化以后磁体磁化状态改变时体积发生膨胀或收缩的现象。 变化量很小，在测量和研究中很少考虑。,(2)磁致伸缩效应的表征,磁致伸缩系数,在磁化过程中，磁体沿磁化方向单位长度上发生的长度变化线磁致伸缩系数。 l / l l 磁体的原始长度 l磁化后长度的改变,与测量方向有关 磁场方向纵向磁致伸缩系数（默认） 磁场方向横向磁致伸缩系数,是磁场和温度的函数 温度一定，的绝对值随磁场增大而增大，达到饱和磁化时，达到

7、一稳定的饱和值饱和磁致伸缩系数s（常数）。,s的方向性 单晶体：各向异性，默认平行于磁场方向的s； 多晶体：各向同性，各晶粒s的统计平均值。,s可正、可负 铁：随磁化强度M的增加沿磁化方向伸长，正s； 镍：随磁化强度M的增加沿磁化方向缩短，负s。,磁致伸缩率 磁致伸缩系数(通常指平行于外磁场方向)随外磁场变化的变化率。,具有空间取向性； 磁致伸缩系数随外磁场非线性变化； 微分磁致伸缩率：曲线上各点切线的斜率； 线性区:磁致伸缩系数随外磁场线性变化，各点的微分磁致伸缩率相等且绝对值较高； 材料或器件工作最为有利。,磁致伸缩智能器件设计：,评价材料性能线性区微分磁致伸缩率。,在线性区工作； 线性区

8、：宽； 线性区起始磁场强度：小。,机电耦合系数(磁弹性耦合系数或磁机械耦合系数),磁能可以转换成机械(弹性)能的那部分； 已贮存的机械(弹性)能中可以转换成磁能的部分。,对于没有损耗或有辐射的磁机械振子，k2表示每个周期内,2.3.2 稀土超磁致伸缩材料,(1)高磁致伸缩金属与合金分类,1)传统金属与合金 纯镍、镍钴合金(95%Ni-Co)、铁镍合金(45%Ni-Fe)、铁铝合金(13%A1-Fe)、铁钴合金(65%Co-Fe)等。 s ：(30-70)10-6；k：0.15-0.5。,2)非晶态合金 Fe80B15Si5、Fe66Co12B14Si8等。 s：(30-45)10-6；k：0.

9、68-0.82。,3)稀土铁系金属间化合物 TbFe2； 以Tb1-xDyxFe2化合物为基的合金如Tb0.3Dy0.7Fe2 等。,k：约0.6； s极高：1500200010-6，比传统磁致伸缩材料大12个数量级，故称为稀土超磁致伸缩材料。(giant magnetostrictive material，GMM),（2）稀土磁致伸缩材料的发展历史,60年代 稀土纯金属：s比传统磁致伸缩材料(镍等)大100-1000倍，但居里温度低。,单晶或晶粒取向的多晶,磁晶各向异性常数符号相反的RFe2组合伪二元化合物R1-xRxFe2，降低s所需磁场。,70年代初 稀土合金与Fe、Co、Ni合金化RF

10、e2 正方晶相；室温超s ，但需强磁场。,典型: Tb1-xDyxFe2 (Tb0.3Dy0.7Fe2 ),我国：始于上世纪90年代 主要研究单位：北京有色金属研究总院、北京钢铁研究总院、中科院物理所、金属所、包头稀土院、北京科技大学 理论研究：达到或接近国外先进水平； 生产、应用：仍有明显差距。,80年代中期 美国Edge Technologies 公司 Terfenol-D品牌； 瑞典、日本、俄罗斯、英国、澳大利亚。,(3)稀土超磁致伸缩材料的优点,2)高机电转换效率。能量转换效率可达70，而镍基磁致伸缩材料不到20，压电陶瓷为40-50。 实现电(磁)机械能量转换的优异功能材料。,1)高

11、磁致伸缩系数。室温下可达1500200010-6，最佳：250010-6，比传统材料高数百倍。,3)输出应力大，能量密度高，比镍大400-500倍，比压电陶瓷大14-30倍，应变产生的推力大，输出功率比PZT材料高数十倍。工作要求电压低，电池就可驱动。有利于器件的轻量化、小型化及低成本。,4)机械响应速度快。仅10-6s级且可电控。,8)具有逆磁致伸缩效应。可制作压力传感器，驱动器和传感器可合为一体。,5)磁致伸缩变形的线性范围大。有利于磁致伸缩量的准确控制，精度可达纳米级。,6)频率特性好、频带宽。可在低频(几十赫兹)和高频下工作。,7)居里温度高，可适用于高温环境。,2.3.3 稀土超磁致

12、伸缩材料的智能化应用,用作：功率电声换能器、电机换能器、传感器和 电子器件等。,机械能或声能 (或机械位移信息或声信息),电磁能 (或电磁信息),应用领域：水声声纳技术、电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、精密定位、减振(噪)与防振(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。,军民两用、高附加值,（1）磁(电)声转换技术中的应用,大功率低频发射声纳,理想材料：超磁致伸缩材料。,声纳（发射和接受声信号的器件）发展方向：,低频(2kHz以下)：声信号衰减小，传送距离远，受潜艇涂层噪音干扰小，打破敌方舰艇隐身技术 ； 大功率：可探测更远距离的目

13、标； 宽频带：提高声信号的分辨率。,美国海军 Terfenol-D声纳,陆地声纳：地质科学与工程、石油工业,大功率超声换能器,功率：6-25千瓦，是压电换能器最大功率的十倍；,应用领域：加工制造业、医学和民用的超声清洗、加工、分散和乳化、声化等。,超声清洗：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，清除物件表面杂质、污垢或油腻；,波动采油：可提高油井产油量20%100%；,超声焊接：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联合，实现固相连接；,废旧轮胎脱硫：将破碎的橡胶脱硫后再制成新轮胎，可长时间连续工作 。,高保真平板扬声器,优点

14、：振动力大、音质好、高保真，可使楼板、墙体、桌面、玻璃窗振动和发音 可作水下音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。,(2) 磁(电)机转换技术中的应用,驱动力： FEAl/l E为弹性模量；A为截面积；l/l为应变量。 直径d为6.4mm的棒材可产生1kN左右的驱动力。,特点：大位移量、驱动力和功率、高速、高能、大幅度减小尺寸、可靠性高、频带宽、有智能反应。,结 构,棒状磁致伸缩驱动器,薄膜型磁致伸缩驱动器,直动型,弯曲型,精密定位装置,用于：精密和超精密加工、精密仪器定位等。 优点：位移精确度高(可达纳米级)、响应速度快、输入功率小、输出力大、设计相对简单。,微进给装置原理图,超精密机床微进给机构,微

15、型马达,原理：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。 优点：能量密度高、机电耦合系数大、输出力大、响应速度快、能量密度高、体积小、控制精度高等。 用于：自动操作器、机械手、机器人、大行程阀门操作器及工具、造纸、塑料、金属加工的大行程精密定位系统等。,主动减振降噪系统,原理：将传感器检测的振动位移信号经控制器处理后反馈到置于设备底座的驱动器，由驱动器产生大小相等、位相相反的位移抵消振动。,飞机引擎底座机舱内噪声降低20dB； 汽车振动减小30dB。,可实现对燃料的精密、瞬时控制，使燃料充分燃烧，减少污染。 应

16、用： 汽车和飞机等内燃机。,燃料注入阀,由一根具有负磁致伸缩系数的棒去打开阀针。驱动线圈中的电流为零时，阀针将燃料流关闭；驱动线圈中通有电流时，阀针打开允许燃料流通过。,(3)传感器和电子器件中的应用,原理：逆磁致伸缩效应(压磁特性)当对其施加外力作用时，所形成的磁场将发生相应的变化。,传感器特点：大载荷、高强度、高灵敏度，适于各种恶劣工作环境，信号处理简单方便，体积小、稳定性高。,应用：探测位移、力、加速度的传感器； 可调控的表面声波器件。,磁致伸缩的应用实例：,（1）磁致伸缩液位仪 ：,随着科学技术的迅猛发展，高新技术在各行业中得到了广泛的应用，高科技含量的磁致伸缩液位传感器，,应用于各类储罐的液位测量。该种液位仪具有精度高、环境适应性强、安装方便等特点。因此，广泛应用于石油、化工等液位测量领域，并逐渐取代了其它传统的传感器，成为液位测量中的精品。,磁