第2章 智能金属材料2.ppt

智能金属材料 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 2.2.2 自修复类型 2.3 超磁致伸缩材料 2.3.1 磁致伸缩效应及其表征 (2)磁致伸缩效应的表征 2.3.2 稀土超磁致伸缩材料 （2）稀土磁致伸缩材料的发展历史 (3)稀土超磁致伸缩材料的优点 2.3.3 稀土超磁致伸缩材料的智能化应用 （1）磁(电)－声转换技术中的应用 ★大功率超声换能器 ★高保真平板扬声器 (2) 磁(电)—机转换技术中的应用 ★精密定位装置 ★微型马达 ★主动减振降噪系统 (3)传感器和电子器件中的应用 磁致伸缩液位仪由三部分组成：探测杆、电路单元和浮子组成。 测量时，电路单元产生电流脉冲，该脉冲沿着磁致伸缩线向下传输，并产生一个环形的磁场。 在探测杆外配有浮子，浮子沿探测杆随液位的变化而上下移动。 由于浮子内装有一组永磁铁，所以浮子同时 产生一个磁场。当电流磁场与浮子磁场相遇时，产生一个“扭曲”脉冲，或称“返回”脉冲。将“返回”脉冲与电流脉冲的时间差转换成脉冲信号，从而计算出浮子 的实际位置，测得液位。 采用磁致伸缩液位仪，进行油罐液位的测量，其优点表现在： 1.可靠性强：由于磁致伸缩液位计采用波导原理，无机械可动部分，故无摩擦，无磨损。整个变换器封闭在不锈钢管内，和测量介质非接触，传感器工作可靠，寿命长。 2.精度高：由于磁致伸缩液位计用波导脉冲工作，工作中通过测量起始脉冲和终止脉冲的时间来确定被测位移量，因此测量精度高，分辨率优于0.01%FS，这是用其它传感器难以达到的精度。 3.安全性好：磁致伸缩液位计的防爆性能高，本安防爆，使用安全，特别适合对化工原料和易燃液体的测量。测量时无需开启罐盖，避免人工测量所存在的不安全性。 4.磁致伸缩液位仪计易于安装和维护简单：磁致伸缩液位仪一般通过罐顶已有管口进行安装，特别适用于地下储罐和已投运储罐的安装，并可在安装过程中不影响正常生产。 5.便于系统自动化工作：磁致伸缩液位计的二次仪表采用标准输出信号，便于微机对信号进行处理，容易实现联网工作，提高整个测量系统的自动化程度。 ★微型马达 ★主动减振降噪系统 (3)传感器和电子器件中的应用 λs的方向性 单晶体：各向异性，默认平行于磁场方向的λs； 多晶体：各向同性，各晶粒λs的统计平均值。 λs可正、可负 铁：随磁化强度M的增加沿磁化方向伸长，正λs； 镍：随磁化强度M的增加沿磁化方向缩短，负λs。 ★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：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 (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。 λs ：(±30-70)×10-6；k：0.15-0.5。 2)非晶态合金 Fe80B15Si5、Fe66Co12B14Si8等。 λs：(30-45)×10-6；k：0.68-0.82。 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； λs极高：1500－2000×10-6，比传统磁致伸缩材料大1～2个数量级，故称为稀土超磁致伸缩材料。(giant magnetostrictive material，GMM) 60年代 稀土纯金属：λs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RF