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一、問題的提出
超磁致伸縮材料( Giant Magnetostrictive Material，簡寫為GMM )是一種新型的功能材料，在室溫下具有較大的磁致伸縮應變，典型代表為Terfenol-D，其飽和磁致伸縮系數λs，一般大于3.0×10-5)。
早在1842年，焦耳發現鐵磁材料或亞鐵磁材料在磁場中磁化狀態改變時，其長度和體積要發生微小的變化，這一現象稱為磁致伸縮效應，也名焦耳效應。一般鐵磁體的磁致伸縮變形小，約為10-6，所以雖早在19世紀發現了磁致伸縮現象，但并未引起廣泛的重視。在20世紀60年代，人們發現稀土金屬鋱(Tb)和鏑(Dy)的磁致伸縮是傳統磁致伸縮材料的100～1000倍，但該性能只能在低溫度下獲得，而釓(Gd)在居里溫度不低于室溫時的磁致伸縮值基本為零。此后人們開始探索在室溫也具有大磁致伸縮應變的稀土合金材料。
在1974年，A.E.Clark等人開發出常溫下具有大磁致伸縮且各向異性低的三元稀土合金TbDyFe，并將其推廣實用化，其λs達到10-3數量級，磁機耦合系數大于0.6，這就是GMM的基礎。自70年代中期以來，DMM研究的重點在材料的制備工藝以及各材料成分對其性能的影響，以及盡早實現商品化生產。至90年代前后，出現了商品化的DMM生產，主要有美國Edge Technologies公司的Terfenol-D，瑞典Feredyn AB公司的Magmek 86，后來日本、俄羅斯、英國和澳大利亞等也相繼研究開發出TbDyFe2型GMM。
我國在90年代初開始研究TbDyFe晶體磁致伸縮材料，目前已有多家單位生產GMM，如北京有色金屬研究院、包頭稀土研究院、中科院物理研究所、甘肅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。
二、超磁致伸縮材料(GMM)的性能特點
Terfenol-D 是稀土超磁致伸縮材料(GMM)的典型代表，作為一種新型高效率的磁(電)-機械能(聲能)轉換材料，相比壓電材料(PZT)和傳統磁致伸縮材料Ni、Co等有以下優點：
1、在室溫下，Terfenol-D能量轉換效率高，機電耦合系數大于0.7，即能量轉換效率高于70%，鎳基磁致伸縮材料不到20％，PZT只有50％ 左右；Terfenol-D能量密度高，是Ni的400~800倍，是PZT的14~30倍；磁致伸縮應變大，其靜態應變飽和值λs達1.5×103~2.0×10-3，在線性范圍內也達1.0×10-3，是Ni的30倍，PZT的3~5倍；輸出力大，負載能力強，可達到220~800 N。
2、Terfenol-D的可控性好，其響應速度小于1μs，性能重復性好，而PZT的響應速度約為10μs，所以用GMM制作的執行器適合用在高速響應和準確定位的場合。
3、Terfenol-D的可靠性強，用GMM制作的執行器，一般是由激勵線圈驅動，不存在PZT中退激化中引起的失效問題，同時不存在老化、疲勞等問題；另外，壓電換能器一般需要高達千伏的電壓驅動，容易產生電擊穿等，而超磁致伸縮換能器只需低壓驅動，這對于驅動電源的要求降低了。
4、Terfenol-D的頻率特性好，頻帶寬，尤其適合低頻區工作，在0~5 k Hz范圍內的能量轉換效率優于PZT，可以應用于制作水聲換能器，也可用于高頻環境，如：超聲加工、超聲診斷等。
稀土超磁致伸縮材料也存在一些缺點，如其固有的磁滯損耗，對GMM應用于超精密加工控制、準確定位造成困難，電阻率低，會產生較大渦流損耗，導致高頻特性不是很好；抗拉強度低，材質硬但脆易碎，機械加工困難，制造工藝復雜，單位成本高。這些缺點在一定程度上制約了GMM的推廣應用。
三、國外超磁致伸縮材料工程應用研究現狀
自從常溫下GMM的發現，對GMM優良特性的應用一直受到科技界、工業界的高度關注。近年來，國內外研制近千種應用器件。
1、在檢測領域中的應用研究
在磁場的作用下，GMM會產生磁致伸縮，這是GMM的正效應，利用此正效應可以制作
檢測磁場、電流、應變等各種元器件。1991年美國依阿華大學的R.Chung等開發出一種超磁致伸縮激光二極管磁強計原型，精度為1.6 X10-4μmA／m。海軍采用GMM開發了磁致伸縮應變計，相比于傳統的半導體應變計，它具有更大的動態范圍、更高的靈敏度和精度，并且它的溫度依賴性小，可測應變量較小達到3×10-10。
在交變負載力的作用下，會引起GMM內部磁化狀態的改變，這是GMM的逆效應，利用其逆效應，通過檢測磁場的變化，可以將GMM制成扭矩、壓力、位移等傳感器件。日本東芝公司M.Sahashi等用磁致伸縮薄膜制作的接觸型扭矩傳感器，其動態范圍大、響應快，靈敏度比傳統金屬電阻薄膜制成的扭轉應變計高10倍。MTS系統公司是磁致伸縮位移測量技術的開拓者，其生產的Temposonics磁致伸縮線性位移傳感器和Level Plus液位計，適用于多種不同的工業自動化環境。為磁致伸縮液位傳感器，由測量頭、波導管、磁浮子組成，其中測量頭由脈沖發生、回波接收、信號檢測、處理電路組成，它是綜合利用浮力效應、磁致伸縮效應、磁機械效應等原理進行工作，通過檢測從發生電脈沖至接收到磁浮子的返回脈沖之間的實際間隔來計算液面和界面的位置。由于時間檢測可以達到高的準確度，而且還可采用溫度補償等措施，所以磁致伸縮位移傳感器能夠達到高的精度。
2、在磁電-機械換能器中的應用
GMM的磁電-機械換能器具有大位移、響應快、可靠性高、驅動電壓低等優點，因而在超精密加工、微馬達、振動控制以及流體機械等工程領域顯示出良好的應用前景，是一種有潛力的新型智能驅動元件。
(1)在超精密加工中的應用。目前精度達到納米級的超精密定位系統大多采用基于壓電陶瓷材料的致動元件，其輸出功率低，且采取有效措施防止沖擊力和高驅動電壓造成的擊穿短路等問題，GMM驅動元件輸出位移是壓電致動元件的數十倍，且可低阻抗運行。日本茨城大學江田弘和東芝公司的Kobayashi合作設計了定位精度達到納米級而動超磁致伸縮致動器，成功應用于大型光學金剛石車床的微進給裝置。
(2)在微型馬達中的應用。F.Claeyssen利用Terfenol-D棒研制成功一種尺蠖式馬達。當線圈中通入電流并且位置發生變化時，超磁致伸縮棒交替伸縮，從而像蟲子一樣蠕動前進。美國J．M．Vranish等采用GMM也利用蠕動原理，開發出轉動式步進電機。
(3)在振動控制領域中的應用。主動減振降噪機構是利用傳感器檢測減振對象的振動位移信號，經控制器處理后輸出一個相應的控制信號到致動器，由致動器產生大小相等、方向相反的位移以抵消振動。采用超磁致伸縮致動器作為執行機構的主動減振降噪系統低頻特性好，振動衰減量較大可達70％，頻率范圍為0~5 kHz。
日本的K.0hmate K等采用Terfenol-D設計了三連桿臂型半主動振動控制裝置，可減緩由于地震、強風等產生的振動。該裝置可在3個直線或轉動方向產生可控的摩擦力和摩擦力矩。美國M.Anjanappa等將超磁致伸縮致動器應用于振動的主動控制中，并對其工作原理進行了理論分析與實驗研究，給出了考慮熱效應的超磁致伸縮致動器的基本數學模型。
(4)在流體機械中的應用。目前，超磁致伸縮磁電-機械換能器廣泛地應用于各種閥門、燃油噴射系統和微型泵。M.Goodfriend等人采用超磁致伸縮致動器改造比例滑閥；T.Urai等采用超磁致伸縮致動器研制了直動式伺服閥；瑞典ABB公司用Terfenol-D為驅動元件設計了流體泵；一家瑞典公司將Terfenol-D用于燃料噴射閥的驅動，并申請了專利；日本用 Terfenol-D 制成了微型隔膜泵。英國SanTechnology公司的A.D.Bushko，和J.H.Goldie用Terfenol-D棒制成了微型高壓隔膜泵，其結構如圖2，結合水力和電控裝置，可實現強力、大位移的水力驅動，既可線性輸出又可旋轉輸出，體積小且易于控制，其工作原理通過線圈驅動GMM棒發生伸縮動作，推動隔膜運動從而改變工作腔的容積，實現吸排油。
四、超磁致伸縮材料國內研究開發現狀
20 世紀80年代中期，北京鋼鐵研究總院開始進行對稀土超磁致伸縮材料的研究。此后，國內其它單位，主要包括中科院北京物理研究所、冶金部包頭稀土研究院、中科院沈陽金屬研究所、蘭州天星公司、浙江大學、大連理工大學、北京科技大學等，陸續開展了這方面的研究。從材料的組成、制備、應用等方面展開探索，并取得了一定的成果。
冶金部鋼鐵研究總院和中科院聲學研究所采用國產超磁致伸縮合金，研制出大功率低頻聲納。七一五研究所進行了多邊形水聲換能器的研究。甘肅天星稀土功能材料有限公司研制了稀土鋱鏑鐵大磁致伸縮材料、智能振動實效裝置設備等。2002年，大連理工大學的賈振元、楊興等研究了具有位移感知功能的超磁致伸縮微位移執行器。2004年，浙江大學的鄔義杰等提出將超磁致伸縮材料用于活塞異型孔加工的原理。2005年，浙江大學的唐志峰對超磁致伸縮執行器的相關基礎理論進行了比較詳細的論述與實驗研究；清華大學的李翠紅、葉子申等利用超磁致伸縮微驅動器設計了一種蠕動機構。2008年，杭州電子科技大學的孟愛華等對將超磁致伸縮執行器應用在脈沖噴射開關閥進行了研究；王玉生等將多個GMA散布配置用于平板揚聲器的設計；天津大學的鄭加駒、王洪禮等對超磁致伸縮磁力控制器件進行了研究。
五、結語
超磁致伸縮材料作為三大智能材料之一，由于其優良的性能特點，正受到相關學者的廣泛關注，其應用范圍涉及到傳感器、流體機械、磁電-聲換能器、微型馬達、超精密加工領域等，充分顯示出了超磁致伸縮材料的巨大潛力。
從目前發展的趨勢可以看出，形態上的薄膜化、微型化將成為具有潛力的發展方向，而執行與傳感功能融合形成的具有自感知功能的執行器將成為超磁致伸縮材料器件研究。
在未來對超磁致伸縮材料的研究過程中，亦有要不斷進行成分調整和摻雜研究，不斷提高其響應速度、飽和磁致伸縮系數、可控性、刺激轉換效率等，使超磁致伸縮材料應用到地震工程、生物醫學工程、環境工程等新領域中。
