稀土超磁致伸缩材料及器件现状

发布于：2006/9/5 8:48:16 | 902 次阅读

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进入21世纪，新材料、信息技术和生物技术构成当今世界高新技术的三大支柱，是产业进步的重要推动力。在新材料领域中，功能材料是。在新材料领域中，功能材料约占85%。稀土元素因其独特的电、光、磁、热性能而被人们称之为新材料的“宝库”，广泛用于各种新材料，特别是功能材料。稀土功能材料已发展成为一个新兴的科学技术领域，是目前功能材料研究的热点。稀土功能材料种类繁多，用途广泛。其中稀土超磁致伸缩材料的研究、开发和应用是近年来发展较快的稀土功能材料之一。自从20世纪70年代发明稀土超磁致伸缩材料以来，经过30多年的研究与开发，稀土超磁致伸缩材料制造工艺不断完善、性能不断提高、成本不断降低，应用领域不断扩大，市场迅速发展,在军民两用高技术领域显示了广阔的应用前景，是21世纪军工与高新技术的重要战略材料。本文对2003年至2004年该材料的国内外发展状况做一肤浅的回顾。
　　一、制备方法
　　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。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。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。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。北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心也在进行这方面的研究工作，现成功制备出Φ40×60的Terfenol-D粘结磁致伸缩棒材，性能正在测试。
　　二、应用
　　稀土超磁致伸缩材料的应用范围十分广阔，涉及军事、民用等方方面面，的美国Etrema公司销售经理Todd Kreamer先生2004年8月说：“Terfenol-D材料的应用行业及应用产品几乎是无限的。”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，流量为10μL/min，出口压力可达1hPa。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产品，如美国已成功地将其应用于舰艇水下声纳探测系统以及导弹发射控制装置等。我国对稀土超磁致伸缩材料应用产品和器件的开发正在不断发展。如中国长江水利委员会应用这种材料，开发出了大功率岩体声波探测器，应用于山峡工程和地球物理勘探；辽河油田这种材料开发出了井下物理法采油装置。北京科技大学新金属材料国家重点实验室采用一种新的制造技术，能制造出{110}轴向取向的多晶棒材，直径在l0mm以上的产品的磁致伸缩系数λ11＝1200-1550ppm，重复性、一致性高，工艺易于控制，成品率高，优于国外相同尺寸产品的性能并已申请了国家发明。天星公司成功地开发出了磁致伸缩式智能振动时效装置、声(超声)换能器、传感器、精密致动器等应用器件，其中智能振动时效装置现已投放市场。目前已建成年生产能力为8吨的铽镝铁大磁致伸缩材料生产线，产品直径达50毫米。
　　三、产量、市场和
　　近30年来，随着稀土超磁致伸缩材料应用范围的扩大，产量不断增加。据美国前沿技术公司统计，全世界Terfenol-D合金产量从1989年的 100kg增加到1997年的70吨。据业内人士推算美国Etrema公司1999年产值约8千万到1亿美元。该公司的总裁Larson预测稀土超磁致伸缩材料已进入一个稳定的需求增长期，其成长趋势与NdFeB永磁材料极为相似；TbDyFe材料的未来市场为：2000年2亿美元，2005年4亿美元， 2010年8亿美元，2015年17.5亿美元。2004年3月份，美国某公司用稀土超磁致伸缩材料制作燃汽轮机喷咀，每天需要用稀土超磁致伸缩材料 20～30公斤，全年约用10吨左右。稀土超磁致伸缩材料技术和器件的研究在快速发展。据Etrema公司统计，2003年与Terfenol-D有关的为43项，2004年1月至7月已申请和批准的为81项。

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