第十章智能材料

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1、概述（概述（基本概念基本概念、发展展、研究内容研究内容）电/ /磁流磁流变液智能材料液智能材料 磁致伸磁致伸缩智能材料智能材料 第十章 智能材料 智能材料是近年来在世界上兴起并迅速发展的材料技术的一个新领域。10.1 智能材料概述 智能材料概念是美国和日本科学家首先提出的。1989年日本高木俊宜教授将信息科学融于材料的特性和功能，提出智能材料 (Intelligent materials) 概念，它是指对环境具有可感知可响应等功能的新材料。美国的RENewnhain教授提出了灵巧 (Smart) 材料的概念，这种材料具有传感和执行功能，他将灵巧材料分为被动灵巧材料、主动灵巧材料和很灵巧材料三类

2、。 10.1.1 发展 智能材料是高技术新材料领域中正在形成的一门新的分支学科，是2l世纪的先进材料，是当前工程学科发展的国际前沿。 智能材料是一门交叉学科，它的发展不仅是材料学科本身的需要，而且可以带动许多相关学科的发展，如物理、化学、计算机、土木工程和航空航天的发展的。10.1.2基本概念设想：混凝土能自己发现混凝土大坝里的裂缝；玻璃能根据环境光强的变化而自行改变透光率，使进入室内的阳光变暗或变亮；墙纸可以变化颜色以适应不同环境；空中飞行的飞机能自行诊断其损伤状态并自行修复。材料具有了“智能”，这种类型的材料就称为智能材料。智能材料： 是指能模仿生物体，同时具有感知和控制等功能的材料或结构

3、。它既能感知环境状况又能传输分析有关信息，同时作出类似有生命物体的智能反应，如自诊断、自适应或自修复等（见图）。这种材料一般具有四种主要功能： 对环境参数的敏感； 对敏感信息的传输； 对敏感信息的分析、判断； 智能反应。（1） 敏感特性敏感特性 融入材料使新的复合材料能感知环境的各种参数及其变化。 光导纤维传感器光导纤维传感器 可以检测力、热、声、光、电等物理参数；它体积小，种类多，而且能测量多种物理参数及其分布状况，是一种较理想的基础智能材料。机械手柔性三维运动l 形形状状记记忆忆合合金金 形状记忆陶瓷形状记忆陶瓷 叠层装置的机械夹持器 通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样

4、的传感器也称为压电传感器。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。l 压电传感器压电传感器（2） 传输特性传输特性 智能材料不仅需要敏感环境的各种参数，而且需要在材料与结构中传递各种信息，其信息传递类似人的神经网络，不仅体积微小，而且传递信息量特大。目前用于智能材料中信息传递的方法很多，最常用的是用光导纤维来传递信息。（3） 智能特性智能特性 智能特性是智能材料的核心，也是智能材料与普通功能材料的主要区别。要求能分析、判断其参数的性质与变化，具有自学习、自适应等功能。 由于计算机技术的高度发展，智能材料与结构的智能特性已经或正在逐步实现，问题的关键是如何将材料敏感的各种信息通过神经网络

5、传输到计算机系统。现在一般有两种方法，一种是在大型智能结构系统中，将智能材料敏感到的各种参数传感到结构体系的普通计算机内；另一种是在智能材料中埋入超小型电脑芯片。（4）自适应特性）自适应特性 是由智能材料中的各种微型驱动系统来实现。该系统是由超小型芯片控制并可作出各种动作，使智能材料自动适应环境中应力、振动、温度等变化或自行修复各种构件的损伤。目前常用的微型驱动系统有形状记忆合金，磁致伸缩材料，电流变体等，尤其是电流变体材料在自适应材料中的应用特别引人注目。 （5）相容性）相容性埋置的材料性质与原构件的材料基质的性质越相近越好。（）强度相容：埋置材料不能影响原材料的强度或者说影响很小。（）界面

6、相容：埋人材料的表面和原材料有相容性。（）尺寸相容：埋人材料或器件和原材料构件相比，体积应很小，不影响原构件特性。（）场分布相容：埋人材料与器件不影响原材料构件各种场分布特性，如应力场、振动模态等。 10.1.3 智能材料的研究内容智能材料的研究内容 智能材料是一门综合性的边缘科学，它包括材料科学、物理、化学、计算机仿生学、机电工程等多学科领域，涉及内容很多，主要有下面几方面内容： （1） 基础智能材料研究 （2） 自诊断智能材料的研究 （3） 自适应智能材料研究 下面就分别展开叙述。（1） 基础智能材料研究 基础智能材料是智能器件的基础，许多材料本身就具有某些“智能”特性。例如：材料的性能（

7、颜色、形状、尺寸、机械特性等）随环境或使用条件的变化而改变，具有学习、诊断和预见的能力，以及对信号的识别和区分能力。材料的结构或成分可随工作条件变化，从而具有一种对环境自适应、自调节的功能。一些材料的电、光以及其它物理或化学性能随外部条件的不同而变化，因而除了具有识别和区分信号、诊断、学习和刺激能力外，还可发展成具有动态自动平衡及自维修的功能。目前可用于智能器件的智能材料主要有：形状记忆智能材料压电智能材料磁致伸缩智能材料自组装智能材料光纤智能材料电磁流变液智能材料（） 形状记忆基础智能材料 是一类具有形状记忆功能的材料。 其产生形状记忆效应的最根本原因是马氏体相变和逆相变。 由于形状记忆合金

8、材料集自感知、自诊断和自适应功能于一体，故具有传感器、处理器和驱动器的功能，是一类具有特殊功能的智能材料。 人们不但可以利用形状记忆合金来制备各种智能器件，而且还可以用形状记忆合金来进行智能材料设计，并对智能材料与结构进行主动控制。这就进一步拓宽了形状记忆合金智能材料的应用领域。 记忆型镍钛牙弓丝（） 压电基础智能材料 压电智能材料是一类具有压电效应的材料。 具有压电效应的电介质晶体在机械应力的作用下将产生极化并形成表面电荷，若将这类电介质晶体置于电场中，电场的作用将引起电介质内部正负电荷中心发生相对位移而导致形变。 可实现传感元件与动作元件的统一，从而可以有效地用于材料损伤自诊断自适应，减振

9、与噪声控制等方面。 常用的压电材料主要是压电陶瓷，而最近发展的压电复合材料是将压电陶瓷、聚合物按一定的比例、连通方式和空间几何分布复合而成，具有比常用压电陶瓷更优异的性能。 压电陶瓷主动控制驱动器系统，在控制坦克炮塔振动方面的应用，减轻了颤振。（） 磁致伸缩基础智能材料 磁致伸缩效应是指磁性物质在磁化过程中因外磁场条件的改变而发生几何尺寸可逆变化的效应。也就是说，它是一类具有电磁能机械能相互转换功能的材料。磁致伸缩材料通常分为金属磁致伸缩材料和稀土-铁(RFe2)超磁致伸缩材料两大类。由于稀土-铁(RFe2)超磁致伸缩材料具有磁致伸缩值大、机械响应快、功率密度大、耦合系数高的优点，目前这类材料

10、已广泛用于声纳系统，大功率超声器件、精密定位控制、机械制动器，各种阀门和驱动器件等方面。 （） 自组装基础智能材料 近年来发展起来的可以按照人们的需要以分子量级的尺度设计和制作的具有一种或多种智能特性的新材料。 自组装智能材料是在特定的基片上，通过化学键、氢键或静电引力将聚合物分子或聚合物与无机纳米粒子的复合物逐层组装上去，以形成单层、双层或多层自组装薄膜材料。 近几年来，静电自组装薄膜材料发展很快。这种材料具有薄膜厚度可精确控制到分子水平，薄膜与基体以及薄膜与薄膜之间结合力强、薄膜厚度与成分均匀等特点，在非线性光学材料、光学器件等方面有着重要的潜在应用。 （） 光纤基础智能材料 光导纤维是一

11、种圆柱介质光波导，它能够约束并引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传播。 由于光纤具有感测和传输双重功能，并且有直径小、柔韧易弯曲、质量轻、抗电磁干扰等优点，因此，光纤已成为一种非常重要的智能材料，光纤传感技术则已成为智能材料的主要技术基础之一。 光纤传感技术在智能材料与结构中主要用于检测材料受力、损伤情况，结构状态监测及振动主动控制等。用光纤组成的各种传感器可测量温度、压力、位移、应力、应变等多种物理量，并具有极高的灵敏度。 单纤双向光纤收发器用途城域光纤宽带网，适用于电信、网通、广电等数据网络运营商 多媒体传输：图像、话音、数据综合传输、适用于远程教学、会议电视、可视电话等应用 实时监

12、控：实时控制信号、图像及数据同时传输 抗恶劣环境：适用于强电磁干扰、远距离的恶劣环境下组网（ ）电磁流变液智能材料（）磁致伸缩智能材料（2） 自诊断智能材料的研究自诊断智能材料是智能材料中最简单最基础的一种形式。它往往只具备智能特性四个主要特性中的二种或三种，这一类智能材料能接受和响应外部环境参数的变化，能够自诊断内部运行状态，如缺陷或损伤等，并能根据预先约定给予报警或传输有关信息，但不具备驱动和自适应的功能。例如对于结构材料，人们期望材料内部的劣化和损伤以及表面的微细裂纹形成时，能自行监测，在形成重大事故或内部变异之前能够有效地预知或报警。（3）自适应智能材料研究自适应智能材料是一种完备的智

13、能体系，它具备智能材料的四个基础属性。它不仅能接受和响应外部的信息，而且能自动改变自身状态，以适应外部环境变化。自适应包括的含义如： 自我回复性(形状和物理、化学性能能够自动复原)； 自动调节性(能够随外部环境的需要而改变自身状态)； 自我修复性(能根据自身损伤状态自我修复)等。 （） 自回复 形状记忆智能材料就是一种具有形状自回复功能的智能材料。无论将该材料拉伸或弯曲成何种复杂形状，只要一加热，又回复到原来的初始形状。其原理是利用了马氏体相变，受力后材料内晶格发生扭曲变形而显示出塑性形变，受热获得能量后晶格自动回复原状。这种形状记忆材料，已经应用于大型钢管使其结合精密和牢固。自洁净功能的温度

14、和气体传感器：日本人研制的一种能够在所测试的环境气体受污染后随时自动恢复其新鲜洁净的表层和界面。其原理是利用CuOZnO两种陶瓷片紧密接触制成气体传感器，碳氢化合物在一侧被吸附和分解，在另一侧被还原而离开元件材料表层，使材料表面总能接触到最新进入的被检气体，缩短了传感器的响应时间，解决了以往的气体传感器中毒劣化的问题，提高了检测的准确性，增加了使用寿命。 （ ） 自调节 一般材料的电阻是恒定的。电流与电压的关系服从欧姆定律。但是，有些陶瓷材料的电阻随着电压而变化，例如ZnO等，称为可变电阻。它具有根据外部电压的大小而改变自身电阻的能力，故被列入智能材料范畴。它能用作智能性电路开关；用这种可变电

15、阻制作成加热元件时，可以自动控制自己的加热温度。这种本身具有控温能力的材料已成为高级轿车空调的核心元件。 光致变色玻璃（光色玻璃）也是一种能自行调节透光性能的智能材料。利用Ag0Ag+化学状态之间的转换，能够自动屏蔽强的光线。最近的所谓智能窗，就是利用光能-电能之间转换，形成能屏蔽光线的大型透明窗口或者能够显示亮度和色彩的显示屏幕， （一）彩色装饰玻璃：国内首创新产品，填补国内空白，主要用于（一）彩色装饰玻璃：国内首创新产品，填补国内空白，主要用于各种楼、堂、馆、所及广告装饰，具有色泽鲜艳，光彩照人，反射各种楼、堂、馆、所及广告装饰，具有色泽鲜艳，光彩照人，反射性能强，能拼凑成各种图案，永不褪

16、色等特点。目前，该产品全部性能强，能拼凑成各种图案，永不褪色等特点。目前，该产品全部出口东南亚地区，深受外商青睐。出口东南亚地区，深受外商青睐。（二）工业用滤色玻璃、光学仪器玻璃：主要用于各种仪器仪表盘（二）工业用滤色玻璃、光学仪器玻璃：主要用于各种仪器仪表盘的滤色防护，有几十种颜色规格的滤色防护，有几十种颜色规格 。 自调节智能材料的另一有趣实例，就是能够使药物定位投放。日本科学家已经研制一种微细胶囊物质材料，能够将药物包裹后带到身体的病变部位。在病变部位胶囊物质表皮自行破裂而释放出药物，医治病变细胞。 这种定向投药原理，用于农药和化肥在酸碱土壤中的定位投放，能提高效率，降低成本，减少污染，

17、是农业技术发展的方向。（ ） 自适应性和自修复性研究得比较多的是使材料表层的形状和厚度能根据需要随时自动形成。人体皮肤的自适应性。钛铝合金是用于高温发动机的重要高温材料，高温使用时，氧化皮层容易裂开和脱落，人们通过加入一些物质到材料中，在表皮发生裂纹时，能及时扩散进表皮的裂纹伤口内，充填裂纹，并逐渐隆起形成致密的抗氧化层而保护材料肌体部件。 在高温真空器件的不锈钢中，加入B和N元素，在进入使用状态后，B和N会向表层扩散并相互结合形成一层致密的BN高温陶瓷保护层，保护层是材料中“自生”出来的，在成分和结构上与基底之间逐渐过渡，所以结合非常牢固。这一举解决了以往的陶瓷涂层容易剥落的问题。 10.2

18、 电电/ /磁流变液智能材料磁流变液智能材料电流变液电流变液电流变液电流变液电流变液的分类电流变液的分类电流变液的分类电流变液的分类电流变液的影响因素电流变液的影响因素电流变液的影响因素电流变液的影响因素电流变液材料的研究进展电流变液材料的研究进展电流变液材料的研究进展电流变液材料的研究进展磁流变液磁流变液磁流变液磁流变液电磁流变液电磁流变液电磁流变液电磁流变液 10.2.1 电流变液电流变液一般介绍一般介绍 电电- -粘度效应粘度效应：19世纪末发现电场作用于流体可导致其表观粘度的增加；kV/mm电场强度，粘度增加百分之零点几。分子、离子簇极化。 电流变效应：电流变效应：1947年Winsl

19、ow发现，对于有些非水的悬浮液体系，在外电场的作用下，流体的表观粘度将大幅度增加，强场下呈近似于粘弹性固体的性质。这一现象不能用电-粘度效应理论解释，被称为电流变效应（ER效应），具有电流变效应的流体体系被称为电流变液。电流变液的本质就是电场导致的固体颗粒的极化。在外电场作用下，电流变液中的固体颗粒获得感应极矩=3rE10c,首先在两极板间排成链，随电场进一步增强，链之间相互作用而聚集成柱，从而由液相进入固相 . 电流变液材料能感知环境(外加电场)的变化，并且根据环境的变化自动调节材料本身的性质，使其粘度、阻尼性能和剪切应力都发生相应的变化。这种液态和固态之间的转化是快速可逆的，整个转化过程仅

20、需几毫秒，是智能材料中很好的驱动器。由于电流变液这种特殊性能，使其在汽车离合器，减振系统，机械电控等许多方面具有重要的潜在应用。表10-1 电流变液的分类 10.2.2 电流变液的分类电流变液的分类粒子分散型粒子分散型： 是指粒径在0.110m范围内的固体粒子在分散介质如氯化石腊油、硅油等绝缘油类中所形成的悬浮式分散液。固体粒子具有高介电常数，液体载体具有低介电常数； 当外加电场强度大大低于临界值(几kVmm左右，电流密度为10-610-5Acm2)，ER液呈液态；当外加电场大大高于这个临界值，ER液就变成固态，两态之间转变时间为毫秒级，并且这种转变是可逆的。可以在临界场附近有效地用外加电场来

21、控制这种悬浮液的粘滞性。 l 均一溶液型：均一溶液型： 是指一些强极性有机及高分子聚合物溶液。10.2.3 10.2.3 电流变液的影响因素电流变液的影响因素电流变液的影响因素电流变液的影响因素 电流变(ER)材料的电学特性是指其介电特性和导电特性。 介电常数介电常数：ER液在外电场作用下发生极化的能力； 电导率电导率：ER液在外电场作用下产生能量损耗的能力。 由于ER液是一种多相复合体系，两相界面的存在，使ER液的介电特性及导电特性不同于两相性质的线性叠加，还与固体颗粒的大小、粒径分布，固-液两相的介面性质、固体颗粒相之间的接触状态以及固体颗粒相分布形成的结构都有关。 l 微粒微粒 微粒大小

22、范围0.110m； 当微粒太小时，布朗运动可抵消电场的作用而不出现ER效应，当微粒太大时，它对电场响应很慢，从而给ER液的实际应用带来困难，并且大颗粒在重力的作用下容易沉积，影响ER液的稳定性。 微粒的化学性质对ER液的性质有着直接的影响。对于大多数ER液，其载体中都会有少量的水，所以微粒应能够持水，并能使离子在其中运动。 l 载体载体 从理论上讲，只要分散相和介质的介电常数差别显著，这样的两相体系就具有ER活性。实际载体应为介电常数低、具有绝缘性能的油，从降低能量损耗的观点看，流变液应具有低导电性。 载体的性质可归纳如下：疏水性、低粘度、高沸点、低凝固点、高电阻、高介电强度。l 水水 大量水

23、的存在可导致系统的介电击穿、腐蚀和高能量消耗。 但是人们发现随着含水量的增加，切变应力增加并达到最大值，随后又减小。一种假设是水能增加微粒的有效介电常数，从而增强了微粒间的相互作用。另一种解释是由于粒子具有高的表面张力，水在粒子中起粘结作用。 l 表面活性剂表面活性剂 一种是表面活性剂增加了悬浮粒子的稳定性，第二种是表面活性剂使微粒之间形成了介晶胶束桥，这两种影响都可导致ER效应的增强。l 温度温度 随着温度的升高，典型ER液的ER效应将迅速增强，达到最大值，然后又迅速减弱。 在一定的电场强度下，升高温度将使表观粘度和介电常数增加，当ER活性达到最大值后，温度继续升高将导致ER活性的急剧下降，

24、这种现象体现了水的作用。 当温度足够高时，水会被蒸发掉，从而使ER液失活，由水活化的ER液在高于70的温度下长时间使用，就会产生这种失活；无水的ER液将具有较宽的工作温度。l 浓度浓度 一定的电场强度和温度下，当微粒体积分数增加时，ER液的屈服应力增加，表现粘度也将增加。 分散质浓度的增加，由于微粒聚集，也增加了无外电场时流变液的粘度。因此，有必要找出最佳的体积分数，既能在电场作用下获得最佳的ER效应，又能在无电场时保持ER液的流动性。10.2.4 电流变液材料的研究进展电流变液材料的研究进展 l彩色液晶显示器彩色液晶显示器液晶高分子材料液晶高分子材料 液晶ER液在3kVmm的电场强度下法向应

25、力接近7KPa。由于这种ER液只有一个相，所以不存在两相材料中的沉积问题。又因为不含水，故又不存在一切与水有关的问题。但液晶ER液的缺点，主要是其液态向固态转变所需要的时间长，液晶水分子的响应时间是0.010.1s，液晶高分子则可能长达几小时。另外，温度适用范围也较小。 液晶高分子材料工作原理图在汽车上的应用：在汽车上的应用： 利用它在电场下粘度连续变化的特性制造汽车离合器装置，用电流变液取代传统的齿轮离合装置。原理：主动轴和从动轴之间充有电流变液。当外加电场为零时，主动轴不会带动从动轴转动；当电压逐渐增加时，电流变液的粘度会随之增加。当其粘度达到一定临界值时，主动轴带动从动轴转动。传统的汽车

26、自动变速器机械结构复杂，具有体积大，耗能高的缺点。如果改用电流变液制作的离合器，不仅体积可以大幅缩小，而且控制简单，只需控制电压就可达到调速的目的，届时只需在方向盘上设置几个调速按键就可解决换档。日本森下信等对他们设计的电流变阻尼器电流变阻尼器进行了减振特性试验，证明了其刻改善乘客的舒适性和操作的安全性。香港与中科院共同研制的新型电流变液的剪切强度提高香港与中科院共同研制的新型电流变液的剪切强度提高1010倍倍香港科学技术大学和中国科学院物理研究所研究人员共同研制的一种新型电流变液(巨电流变巨电流变 GERGER效应的纳米颗粒电流变液)。 当施加电压时，会从像牛奶一样软的液体在瞬间变成像塑料般

27、硬的固体，而去除电压时，固体又迅速回复到原来的液体状，固体的剪切强度可达到130130千帕千帕，比原先理论预测的要强1010多倍多倍，而且在室温下性能稳定。GER流体由表面包裹有尿素(Urea)薄层的 (BaTiO(C2O4)2) 纳米颗粒与硅油混合而成。其剪切强度与外加电场呈线性变化关系, 而非通常的二次方关系。电流变液的本质就是电场导致的固体颗粒的极化。本实验用立体光学显微镜进行放大成像，并接CCD，再连接计算机，可在线观察，并进行更深入的研究。实验装置包括：立体显微镜、CCD摄像头、高压电源、电流变液样品及样品盒、电视或带图像卡的计算机。 大约在发现ER效应的同时，人们也发现了磁流变(M

28、R)效应。 MR液是由微米级的磁性粒子分散在合适的液体载体中形成的悬浮液，在外加磁场作用下，其中的磁性微粒沿磁场方向排列成有序结构，可使MR液的粘度和屈服应力发生显著变化，从而作为智能材料中性能优异的驱动器，在机械控制、汽车离合系统、液压阀、阻尼减振抗振、智能复合材料等方面有着重要的潜在应用。 10.2.5 磁流变液磁流变液磁流变液中：磁流变液中：磁性粒子的材料为铁、钻、镍及其合金和铁氧体(如Fe3O4)等材料及其复合材料（尺寸大约在110m范围内）。载体可以是油，水或其它复杂的混合液体。由于磁性粒子通常比载液的密度大，为了防止沉降，可加入各种不同的表面活性剂，或将磁性粒子与密度小的其它材料复

29、合，以改善其沉降问题。 良好的良好的MR液应具备如下性能：液应具备如下性能：l 具有磁化和退磁两种可能性。磁滞回线狭窄，矫顽力小，而磁导率很大，尤其是磁导率的初始值和极大值必须很大。l 具有较大的磁饱和，以便尽可能大的“磁流”通过悬浮体的横截面，给颗粒间提供尽可能大的能量。l MR液在接上交流电的工作期间内，全部损耗(例如磁滞现象、涡流现象等)都应该很小。l MR液中的磁性粒子分布均匀，具有高稳定性；具备极高的“击穿磁场”，防止MR液被磨损并改变性能。l MR液应具有较宽的工作温度范围，构成MR液的原材料应是价廉的和丰富的。磁性液体（磁性液体（ MF ）与磁流变液（）与磁流变液（MRF）的区别

30、：的区别：共同点：磁性微粒分散在合适的液体载体中不同点：悬浮粒子的尺寸范围 MF：110nm，合适的表面活性剂分散，布朗运动可阻止粒子团聚； MRF：110um，布朗运动无法阻止粒子团聚，可采取与密度小的其它材料复合的方法以降低粒子密度，或表面活性剂改变粒子与载体的相容性，使粒子带同种电荷等方法。ER液和液和MR液的液的缺点缺点：ER液需要很高的电场(高达数kVmm)才能获得所需要的流变性质，这对于投入商品化应用非常不利，会带来严重的安全问题，尤其在航空航天领域更是如此。MR液虽然可避免ER液所需要的高电压，但它在外磁场消失后其中粒子由有序状态恢复到无序状态所需要的时间较长(有时长达数秒钟)，

31、这样的响应速度显然制约了MR液有效地投入实际应用。 电磁流变液 (EMRF) 通常由微米级的复合粒子分散在合适的绝缘载体中而形成。复合粒子中的一部分可在外加电场作用下表现出ER性质，另一部分则可在外加磁场作用下表现出MR性质，故EMR液既具有ER性质又具有MR性质，有可能同时兼顾两者的优点，即有可能既具有ER液响应快的优点，又具有MR液屈服应力大，可避免高压电场的优点。 当同时施加电场和磁场时，有些EMR液表现出来的剪切应力比单独施加电场或磁场时的剪切应力之和大，即表现出协同效应。10.2.6 电电磁流变液磁流变液10.3 磁致伸缩智能材料磁致伸缩智能材料 10.3.1 概述概述 磁致伸缩材料

32、是一类具有电磁能机械能相互转换功能的材料。70年代开始出现的室温下具有巨磁致伸缩性能的稀土-铁合金(RFe2)材料，由于它们能量密度高、耦合系数大，具有传感和驱动功能。10.3.2 磁致伸缩效应磁致伸缩效应 是指磁性物质在磁化过程中因外磁场条件的改变而发生几何尺寸变化的效应。线磁致伸缩效应: 一般来说，较弱磁场下磁性物质在各方向上的几何尺寸发生变化时，会保持总体积不变，即：在某方向上伸长(或缩短)，并同时在其垂直方向上相应缩短(或伸长)，这就是所谓的线磁致伸缩效应。体磁致伸缩效应: 强磁场作用下，磁性物质在各方向上尺寸发生变化的同时，其总体积也会发生膨胀(或收缩)，这就是所谓的体磁致伸缩效应。

33、 由于体磁致伸缩效应发生在很强的磁场下，故这类材料很难在实际中应用，所以通常所说的磁致伸缩都是特指线磁致伸缩效应。 磁致伸缩系数： 材料磁致伸缩效应的相对大小。 L/L0 磁致伸缩效应是随外磁场强度变化而变化的，磁致伸缩系数是磁场强度的函数。当外磁场强度足够高时，磁致伸缩系数将趋于稳定（饱和磁致伸缩系数），用s表示。 由于磁性物质存在磁各向异性，因此就单晶材料而言，在外磁场确定的条件下，晶体在各方向的磁致伸缩系数是不同的。而且在晶体的同一方向上，随着外磁场相对晶体取向的改变，其磁致伸缩系数的方向(正负)和大小也会改变。也就是说，磁致伸缩系数的大小不仅与外磁场的大小相关，而且与外磁场相对于晶体晶

34、轴的方向相关。 10.3.4 磁致伸缩智能材料的应用磁致伸缩智能材料的应用 （1）声纳系统中的声波发射器 声纳的发射频率一般在2kHz以上，低于此频率的叫低频声纳。用稀土-铁材料制作的声纳可以满足大功率、小体积、低频率的要求。图10-1 低频声纳示意图图中六个单元组成一个环。随着磁场变化，环就膨胀收缩，将声波发射出去。美国海军使用的这类预警系统，其探测距离可达数千公里。 （2）稀土-铁超磁致伸缩智能驱动器件 用来直接推动油泵活塞，代替海底油泵的所有转动部件，克服了水下维修的困难。 美国国防部的智能机翼项目的目的就是要研制开发这样的驱动器，从而可对飞行中飞机的机翼横剖面形状进行精细的调整，减小飞

35、行动态阻力。 也可用作机械人、超精密加工机床、扫描隧道显微电镜、原子力显微镜以及其它智能材料器件中的精密定位器件。 目前,在超磁致伸缩材料的应用领域出现了一个新的研究热点薄膜型薄膜型超磁致伸缩微执行器超磁致伸缩微执行器的开发与应用。下面是在微型流体控制元件中应用较多的薄膜式超磁致伸缩微执行器的原理。这类执行器主要采用一些传统的半导体工艺,在非磁性基片的上、下表面分别镀上具有正、负磁致伸缩特性的薄膜材料，当外加磁场变化时，薄膜会产生变形，从而带动基片偏转和弯曲基片偏转和弯曲以达到驱动目的 。我国直径最大的稀土超磁致伸缩材料研制成功我国直径最大的稀土超磁致伸缩材料研制成功 北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心采用自行开发的“一步法”新工艺（即熔炼定向凝固热处理在一台设备上连续完成），于12 月15日成功地制备了目前我国直径最大的（直径70mm、长度250mm）稀土超磁致伸缩材料（简称 GMM），其低磁场下的磁致伸缩应变、机械性能、产品一致性、成品率等主要技术经济指标均达到国际先进水平。目前我国研制的 GMM直径一般不超过50mm，而国外部分应用产品则达到50mm70mm。