磁致伸缩原因（科普文章磁致伸缩材料）

作者：贺俊杰

首先我们要知道，这个“磁致伸缩材料”是干什么用的？

这个磁致伸缩材料，在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用下，可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波。

这种材料可将电磁能或电磁信息，转换成机械能或声能或机械位移信息或声信息；相反也可以将机械能或机械位移与信息，转换成电磁能或电磁信息，他是重要的能量与信息转换功能材料。

他在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、海洋石油勘探、波动采油、以及海底可燃冰探测与开采等高技术领域有广泛的应用前景。

　　21世纪是海洋世纪，人类的生活、科学实验和资源的获取将逐渐从山陆地转移到海洋。

而舰艇水下移动通讯、海水温度、海流、海底地形地貌的探测就需要声纳系统。

声纳是一个庞大的系统，他包括声发射系统，反射声的接收系统，将回声信息转变成电信息与图像的系统以及图像识别系统等。

其中声发射系统中的水声发射换能器及其材料是关键技术之一。

过去声纳的水声发射换能器主要用压电陶瓷材料。这种材料制造的水声换能器的频率高，同时发射功率小、体积大、笨重。

　　另外随舰艇隐身技术的发展，现代舰艇可吸收频率在3．0kHz以上的声波，起到隐身的作用。

世界几个工业发达国家都正在大力发展低频(频率为几十至2000Hz)，大功率(声源级约220dB)的声纳对抗发射换能器，并已用于装备海军。

低频可打破敌方舰艇的隐身技术，大功率可探测更远距离的目标，同时体积小、重量轻，可提高舰艇的作战能力。

低频大功率声纳对抗发射换能器是今后发展的方向，而制造低频大功率水声发射换能器的关键材料是超磁致伸缩材料。

发展超磁致伸缩材料将对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。

那么这样研发制造磁致伸缩材料呢？

我们大家都知道压电材料。就是受到压力作用时，会在两端面间出现电压的晶体材料。

1880年，法国物理学家居里兄弟发明的。把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。

这一现象被称为压电效应。随即，居里兄弟又发明了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。

压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。

反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。

这也就是磁致伸缩材料的雏形。

到20世纪80年代中期，开始出现了商品化的稀土超磁致伸缩材料。

主要的代表为美国Edge Technologies公司生产的Terfenol-D和瑞典Feredyn AB公司生产的Magmek 86。其后日本、俄罗斯、英国和澳大利亚等也相继研究开发出 新型的超磁致伸缩材料《GMM 》。

在GMM应用方面，主要有美国海军开发的高灵敏磁致伸缩应变计、日本东芝公司设计的精度达到纳米级的超磁致伸缩致动器、美国J.M.Vranish利用蠕动原理研制的步进式微型马达、瑞典公司开发的高精度燃料喷射阀、日本用Terfenol-D棒制成的微型隔膜泵等。

我们国家也是从20世纪80年代中期开始着手研究超磁致伸缩材料，主要有北京钢铁研究总院、中科院北京物理研究所、北京科技大学、大连理工大学、浙江大学等，并且在材料制备和应用等方面取得了一定的成果。

在材料制备方面，已有多家单位可以生产GMM，如北京有色金属研究院、北京科技大学功能材料教研室、甘肃天星稀土功能材料有限公司、浙江椒光稀土材料有限公司等。

中国有得天独厚的有利条件，我们有各种型号的稀土。通过掺杂改变比例成分的方法，可制备出各种性能优异的稀土超磁致伸缩材料，其制备方法已经达到了国际领先水平。

在材料应用研究方面，冶金部钢铁研究总院和中科院声学研究所研制出了国产的大功率低频声纳；甘肃天星稀土功能材料有限公司研制了智能振动实效装置设备；大连理工大学研究出了新型微位移执行器；清华大学材料科学与工程系利用超磁致伸缩微驱动器设计研发了一种超级蠕动机构设备，为我们的国防现代化做出了贡献。

但与国际先进行列相比，我国在此材料应用研究方面整体还处于比较落后的位置。

目前，超磁致伸缩材料、技术和装置的研究开发，美国和日本居领先水平，这些发达国家都把磁致伸缩材料的技术研究开发列为21世纪的重点攻关项目，投入了大量资金、人力和物力，竞争极为激烈，都想抢先占领这一高新技术领域。

我们国家也在这一领域制定了详细的规划，争取在五年之内赶超世界最高水平。本着绿水青山，不破坏任何环境的基础上，节约使用稀土，研发新配方，改革工艺流程，把这一项目建成世界超一流的科技项目！