GMM在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

引 言

GMM 在常溫下因磁化狀態(tài)的改變，其長(zhǎng)度與體積將會(huì)隨之變化。也就是說(shuō)，GMM 具有強(qiáng)大的磁致伸縮系數(shù)，因其多為稀土構(gòu)筑，而又被稱(chēng)為超磁致伸縮材料。GMM 材料具有較強(qiáng)的耐熱溫度性能，磁致伸縮性能極高，在普通室溫下， 就能保持較高的機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換，且能量密度大、響應(yīng)速度快，是目前運(yùn)用在機(jī)械電子工程中非常重要的材料[1]。本文針對(duì) GMM 材料的性能、優(yōu)點(diǎn)及其在機(jī)械電子工程中的具體應(yīng)用展開(kāi)分析，并就其應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景進(jìn)行探討。

1 GMM的性能特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)分析

1.1 GMM 概述

超磁致伸縮材料自身的尺寸會(huì)隨著外加磁場(chǎng)的變化而變化，磁致伸縮系數(shù)大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的磁致伸縮材料，這也正是其優(yōu)勢(shì)所在。早在 1971 年，美國(guó)海軍在進(jìn)行表面武器實(shí)驗(yàn)時(shí)，在尋找磁致伸縮材料時(shí)發(fā)現(xiàn)了如TbFe2、DyFe2、SmFe2 等具有較高磁致伸縮系數(shù)性能的材料。并且根據(jù)美國(guó)海軍的相關(guān)實(shí)驗(yàn)得出，這些材料需要較高的磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)，這樣一來(lái)就限制了材料的運(yùn)用。后來(lái)，他們通過(guò)研制一些新的合金材料發(fā)現(xiàn)其具有很高的居里溫度，而且還能提高其磁致伸縮性能， 并能被廣泛的應(yīng)用起來(lái)，至此，磁致伸縮材料得到了較大的關(guān)注。

1.2 GMM的特點(diǎn)

在室溫下，GMM 具有很高的機(jī)械能轉(zhuǎn)電能轉(zhuǎn)換率，且能量密度大、可靠性高、響應(yīng)速度快，能夠方便簡(jiǎn)單進(jìn)行驅(qū)動(dòng) [2]。而正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，使得 GMM 在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注，同時(shí)，也促進(jìn)了電子信息系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)以及振動(dòng)系統(tǒng)的改革。一方面，GMM 的磁致伸縮系數(shù)非常大，甚至比 Fe、Ni 等多種材料多出幾十倍，而且正是因?yàn)檫@樣的性質(zhì)，使得超磁致伸縮材料迅速得到發(fā)展。另一方面，因超磁致伸縮材料的能量轉(zhuǎn)換高，甚至能夠達(dá)到 49% ～ 56%， 超越了壓電陶瓷 23% ～52% 的轉(zhuǎn)換率，所以GMM 更可以應(yīng)用于制造高能量轉(zhuǎn)換率的機(jī)電產(chǎn)品。

1.3 GMM的性能

相較于壓電材料與傳統(tǒng)磁致伸縮材料來(lái)講，GMM 有著巨大的優(yōu)勢(shì)。比如，在常溫下，GMM 磁致伸縮材料的伸縮應(yīng)變較大，甚至可以達(dá)到 Ni 的 40 ～50 倍，是壓電材料的 5 ～8 倍 ；其能量密度高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了 Ni 等材料的能量密度；同時(shí)， GMM 還具有超快的反應(yīng)速度，可以在幾十毫秒以?xún)?nèi)反應(yīng)，有的甚至可以達(dá)到微秒級(jí)；不僅如此，GMM 擁有強(qiáng)大的輸出力， 能夠帶動(dòng)高強(qiáng)度的荷載。除此之外，超磁致伸縮材料的磁機(jī)耦合系數(shù)較大，所以其電磁機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率也較高 ；不僅工作性能穩(wěn)定，居里點(diǎn)溫度高，而且在大功率的工作條件下， 也不會(huì)因器件過(guò)熱而導(dǎo)致磁致伸縮特性失效，而只需要進(jìn)行冷卻恢復(fù) [3]。最后，我們所知道的 GMM 材料工作頻帶寬，可以用于幾百赫茲以下的低頻但也同樣適用于超高頻。

2 GMM在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 GMM 在液壓閥中的運(yùn)用

所謂液壓閥就是機(jī)械電子工程中液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)控制元件，專(zhuān)門(mén)用于控制系統(tǒng)流體、調(diào)節(jié)流動(dòng)壓力以及流量的。通常這種液壓閥中包括微型開(kāi)關(guān)閥、比例閥以及單極電液伺服閥等環(huán)節(jié)都有使用超磁致伸縮材料。首先來(lái)說(shuō)微型開(kāi)關(guān)閥，其應(yīng)用原理主要是通過(guò)利用薄膜伸縮效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制閥的控制，當(dāng)外界磁場(chǎng)為 30 mT 時(shí)，就是開(kāi)關(guān)閥的最大開(kāi)口量， 這樣一來(lái)就可以小小降低驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)。對(duì)于比例閥的使用主要是通過(guò)發(fā)揮磁致伸縮棒來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出位對(duì)比例閥進(jìn)行控制，當(dāng)300 Hz時(shí)閥芯位達(dá)到 0.122 1 毫寸，最高驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率就是5 kHz[4]。其次，對(duì)于單極電液伺服閥以采取閉環(huán)控制的措施，使其結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)，能夠達(dá)到較高的緊密度 ；GMM 運(yùn)用于擋板型伺服閥時(shí)會(huì)擴(kuò)大其壓力控制范圍，讓其擁有較高的反應(yīng)速度。

2.2 GMM 在液壓泵中的應(yīng)用

所謂磁致伸縮泵就是利用磁場(chǎng)強(qiáng)度在GMM 軸線上的分布，直接對(duì)液壓泵的活塞進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以此來(lái)提高電磁機(jī)械的轉(zhuǎn)化效率，達(dá)到較高的效率。而目前，人類(lèi)已經(jīng)退出類(lèi)似于電池一樣密閉性較強(qiáng)的GMM 液壓泵，這種泵也要具有較高的精度控制流，當(dāng)外磁場(chǎng)變化頻率為 2 kHz 時(shí)，可以將泵輸出流量提高到 10 L/min。不僅如此，很多國(guó)家已經(jīng)研制出了GMM 聲納換能器，能夠廣泛應(yīng)用于水下通信、跟蹤定位等方面，這些應(yīng)用都是 GMM 得到了巨大的推廣和發(fā)展。圖 1 所示為薄膜型磁致伸縮微型泵結(jié)構(gòu)示意圖[3]。

2.3 GMM 在蠕動(dòng)位移機(jī)械中的應(yīng)用

所謂蠕動(dòng)位移機(jī)械就是能夠進(jìn)行連續(xù)的步行運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)械，類(lèi)似于蝴蝶幼蟲(chóng)一樣能夠蠕動(dòng)。這種機(jī)械的步距最小為 4nm，運(yùn)動(dòng)速度也是毫秒級(jí)的，目前主要運(yùn)用于距離控制與機(jī)器人等方面。不僅如此，很多國(guó)外研究將其和壓電晶體結(jié)合，還設(shè)計(jì)出了諧振型的馬達(dá)，工作頻率高達(dá) 300Hz，而在我國(guó)，蠕動(dòng)位移機(jī)械也已經(jīng)有了簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的成品，相信在未來(lái)， GMM運(yùn)用在蠕動(dòng)位移機(jī)械中還能發(fā)揮更大的作用。

2.4 GMM 在新型電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用

目前，對(duì)于應(yīng)用GMM 的新型電動(dòng)機(jī)主要成果包括直線電機(jī)、蠕動(dòng)電機(jī)以及Recherche 馬達(dá)[1]。一種超磁致伸縮直線電機(jī)能夠達(dá)到較高的能量轉(zhuǎn)化率，且繼承了所有超磁致伸縮材料的優(yōu)點(diǎn)，擁有超快的響應(yīng)速度，可使用的溫度范圍廣。不僅如此，這種電機(jī)還不容易發(fā)生疲勞退化等現(xiàn)象，對(duì)于能源供應(yīng)的要求較低，適應(yīng)很多類(lèi)型的工作。

3 GMM在機(jī)械電子工程中的未來(lái)發(fā)展前景

前面說(shuō)到，關(guān)于超磁致伸縮材料也就是 GMM 的研究已經(jīng)有很長(zhǎng)一段時(shí)間，并且有關(guān)于其新型功能周邊機(jī)械電子工程應(yīng)用的內(nèi)容也越來(lái)越多。因此，GMM 在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用研究逐漸成為了提高國(guó)家科技綜合競(jìng)爭(zhēng)力和國(guó)際勢(shì)力的戰(zhàn)略性措施。由上文可知，GMM 有著高于傳統(tǒng)伸縮材料和壓電陶瓷環(huán)能材料的優(yōu)勢(shì)，是軍用、民用的高科技產(chǎn)品，具有非常大的價(jià)值和應(yīng)用前景，且市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)需求不斷加強(qiáng)[5]。

超磁致伸縮材料在外磁場(chǎng)作用下長(zhǎng)度和位移都會(huì)發(fā)生變化，因此具有一定的做功功能，而在交變磁場(chǎng)中，超磁致伸縮材料會(huì)發(fā)生反復(fù)伸縮，產(chǎn)生振動(dòng)或者聲波，電磁能借助這樣的聲波和振動(dòng)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能或者聲能。相反地，也能通過(guò)振動(dòng)或者聲波將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電磁能，以提高機(jī)械的轉(zhuǎn)化率， 完美運(yùn)用在機(jī)械電子工程中[4]。迄今為止，全球已經(jīng)有 1 000 多種 GMM 相關(guān)器件產(chǎn)生，涉及的范圍有航空航天、國(guó)防軍事、電子生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域，這不僅有利于促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的提升， 更能提高國(guó)家的綜合實(shí)力。

最后，隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的提升，人們對(duì)于 GMM 運(yùn)用在機(jī)械電子工程中的要求也逐漸提高。相信在不久的未來(lái)，GMM 運(yùn)用的領(lǐng)域會(huì)逐漸拓寬，其重要性也將逐漸突出。比如，我們可以將 GMM 運(yùn)用在電子工業(yè)或者高精度自動(dòng)控制行業(yè) ；在海洋工業(yè)對(duì)還留分布、海下地質(zhì)、地貌進(jìn)行探測(cè) ；也可運(yùn)用于石油以及航空航天業(yè)。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，作為近年來(lái)運(yùn)用在機(jī)械電子工程中的重要材料，超磁致伸縮材料的運(yùn)用得到了廣泛的關(guān)注，因其高度耐熱的性能和磁致伸縮性能，再加上能量密度大、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，值得我們進(jìn)一步運(yùn)用在多種領(lǐng)域中。相信在未來(lái)，我們還能夠加快對(duì) GMM 的研究，將其運(yùn)用在多種領(lǐng)域，發(fā)展我國(guó)科技綜合實(shí)力，創(chuàng)造更多的利益和財(cái)富。