郑佳伟，何忠波，荣策，薛光明，杨朝舒

(1陆军工程大学石家庄校区车辆与电气工程系，河北石家庄050003奥克兰大学机械工程系，奥克兰1010)

摘要:超磁致伸缩材料是一种具有响应速度快、磁致伸缩应变大、能量密度高等优良特性的新型功能材料，针对其研究和应用己经成为当前热点。基于现代工业对高性能电液伺服阀的需求，描述了该材料的磁致伸缩效应，并对其基本性能及物理效应作了阐述，同时通过对比压电陶瓷、形状记忆合金的性能参数，分析了超磁致伸缩材料的性能优势。最后着重介绍了该材料在喷嘴挡板阀、射流管阀及直接驱动式电液伺服阀当中的应用现状，并基于此现状对研制高性能的超磁致伸缩电液伺服阀关键技术进行了展望。

关键词:超磁致伸缩材料;物理效应;放大机构;电液伺服阀

引言

电液伺服阀作为集机、电、液成一体化的复杂元件，是电液伺服控制系统的核心部件。其能将输入的微小的电气信号放大并转换为大功率的液压能量输出，以实现对系统压力和流量的控制。其性能强弱直接决定了整个电液伺服系统的频响特性、控制精度、使用寿命及工作可靠性。近年来，随着工业技术的迅猛发展及电液伺服系统应用领域的拓宽，市场上对电液伺服阀提出了更高的性能要求，如高频率、大流量、抗油污、抗干扰及低成本等，而传统电液伺服阀己经很难满足上述要求。

为提升电液伺服阀整体性能，国内外均开展了以结构改进及新型功能材料应用为基础的高性能电液伺服阀的研究。在新材料的应用方面，具有磁致伸缩应变大、输出力大、机电藕合系数高、响应速度快等优异特性的超磁致伸缩材料(Giant MagnetostrictiveMaterial ，GMM)一经发现便引起国内外学者们的高度关注，并被看作是21世纪提升国家高科领域技竞争力的战略性功能材料。基于该材料的优良性能，众多学者己经将其应用到电液伺服阀的研制上，目前，GMM在电液伺服阀设计与研究上己经获得了大量的应用。本研究将对GMM的基本性能及其在电液伺服阀中的应用现状进行介绍。

1 超磁致伸缩材料

在施加的磁场的作用下，材料因磁化状态发生改变而导致其尺寸与体积变化的现象称作磁致伸缩效应，因而具有该效应的材料被称作磁致伸缩材料磁致伸缩材料具有饱和磁致伸缩系数λ_s，当该材料的λ_s超过30x10^-6时，其又称作超磁致伸缩材料，是在1974年由美国海军武器中心的CLARK等人研制出来的。目前，在GMM的制备工艺及应用研究上，瑞典、美国等国家处于领先地位，其部分产品己经商品化。国内也有单位己经可以批量生产。

1.1 超磁致伸缩材料的优越性能

GMM是自稀土高温超导、稀土永磁及稀土发光材料后的另一种重要的新型功能材料，在军事、民用工业的高科技领域中具有广阔的应用前景。与形状记忆合金(Shape Memory Ally ，SMA)、压电陶瓷( Piezoelectric

PZT)等智能材料相比，GMM具有较多的优越特性。表1为该3类材料的性能参数的对比。

由表1可知，与PZT相比，GMM具有更大的能量密度和更高的延伸率，这就表明在形变量相同的条件下，GMM能产生更大的输出力，并且GMM的滞回较低，可控性更好，这些优良特性使得GMM非常适合于研发大流量、高精度的电液伺服阀;其次GMM的磁(电)机藕合系数较大，表明其能量转化效率更高;再者GMM的居里温度能达到380℃，且在温度超过380℃时仅是暂时失效，待温度低于380℃时，本身的磁致伸缩效应就可恢复，这种特性使得GMM可用于极端环境下电液伺服阀的研发。

表1 材料性能参数对比

1.2 超磁致伸缩材料的物理效应    

当所处的外界环境及施加条件不同时，GMM会展现出不同的物理效应，其中有实用价值的效应主要有。

(1)焦耳(Joule)效应外加磁场时，材料因磁化导致其长度、体积发生变化的现象，即磁致伸缩效应，可利用此效应制作磁致伸缩换能器;

(2)维拉里(Villari)效应由于材料外形发生改变导致其内部磁化强度变化的现象又被称作磁致伸缩逆效应，可用此制作磁致伸缩传感器;

(3)∆E效应当外界磁场强度发生变化时，材料的杨氏模量也随之变化的现象，可用此制作声延迟线;

(4)威德曼( Viedemann)效应在外加过适当强弱磁场的材料中通入电流时，材料会发生扭转变形的现象，可用此制作扭转马达;

(5)逆威德曼( AntiViedemann)效应在材料发生周向扭转的同时沿其轴向加设磁场，则沿材料轴向会产生交变磁化的现象，可用此制作扭转传感器;

(6)跃变(Jump)效应向材料施加预应力时，其磁致伸缩应变会呈现出跃变式的变化，材料的磁导率也会随之变化的现象。

上述物理效应是GMM优越性能的体现，也是其应用于工业实践研发的基础，其中磁致伸缩的正、逆效应的应用尤为广泛。