周 嚴(yán)，劉 躍，張麗芳，翁 玲，李淑英

（1.天津商業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，天津 300134；2.河北工業(yè)大學(xué) 磁技術(shù)與磁材料研究中心，天津 300130；3.天津工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津 300387）

超磁致伸縮致動(dòng)器由于具有磁致伸縮量大、能量密度高等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于集成電路板的制造、精密加工中的位移定位等微位移控制領(lǐng)域．目前超磁致伸縮致動(dòng)器核心部件磁致伸縮棒多由Terfenol-D合金制成[1]．然而Terfenol-D合金因其飽和場高、性質(zhì)脆、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)使得應(yīng)用受到一定限制．近年來研究發(fā)現(xiàn)非磁性元素Ga、Al等加入Fe后形成的Fe基合金具有良好的磁致伸縮性能，而飽和磁場僅為Terfenol-D的1/10，同時(shí)此類合金強(qiáng)度高、脆性小、價(jià)格低廉，因此在磁致伸縮致動(dòng)器領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[2-4]．目前關(guān)于Fe基合金的研究主要集中在合金結(jié)構(gòu)、磁致伸縮性能及其機(jī)理等領(lǐng)域[5-7]，文中基于課題組前期對(duì)于Fe-Ga-Al合金磁致伸縮性能的系統(tǒng)研究[8-9]，如圖1所示，確定選用磁致伸縮性能最優(yōu)的Fe82Ga9Al9成分制備磁致伸縮棒，并設(shè)計(jì)制作了Fe-Ga-Al磁致伸縮致動(dòng)器，完成了位移輸出特性的測試研究．

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用定向凝固爐制備Fe82Ga9Al9磁致伸縮棒．將Fe，Ga，Al金屬按比例配料后放入定向凝固爐的坩堝中，經(jīng)過抽真空后將原材料烘烤15min．充高純氬氣后進(jìn)行中頻感應(yīng)熔煉，再澆鑄到石英管內(nèi)進(jìn)行定向凝固生長（定向凝固速率為125 mm/h)．待定向凝固全部完成后，將保溫筒溫度降至室溫，取出Fe82Ga9Al9合金．按設(shè)定工藝進(jìn)行熱處理．

設(shè)計(jì)制作了圖2所示的Fe-Ga-Al磁致伸縮致動(dòng)器．采用電阻應(yīng)變計(jì)法[10]對(duì)磁致伸縮棒進(jìn)行磁致伸縮性能測量．致動(dòng)器靜態(tài)位移測試主要包括3部分：即直流電源、磁致伸縮致動(dòng)器樣機(jī)和位移傳感器[11]．采用的寧波中策電子公司1731SB2A型直流電源，最高輸出電流為15A，兩路輸出，滿足實(shí)驗(yàn)中致動(dòng)器的要求．微位移傳感器采用德國米銥測試技術(shù)公司的CAMPANCDTS600-0.2電容位移傳感器，其靈敏度為50 V/mm，量程為0.2 mm，靜態(tài)30Hz的分辨率為8 nm．

2 預(yù)壓應(yīng)力條件下致動(dòng)器的磁致伸縮特性

為了獲得預(yù)壓應(yīng)力對(duì)Fe-Ga-Al磁致伸縮致動(dòng)器中磁致伸縮棒性能的影響，對(duì)致動(dòng)器施加了0～25 MPa預(yù)應(yīng)力進(jìn)行磁致伸縮性能測試，得到了圖3所示的預(yù)應(yīng)力下Fe-Ga-Al磁致伸縮棒靜態(tài)磁致伸縮與電流之間變化關(guān)系曲線．為圖示清晰，線圈電流的正反方向用電流的正負(fù)數(shù)值表示．相關(guān)具體數(shù)值詳見表1．

由圖3可知，F(xiàn)e-Ga-Al磁致伸縮棒的最大靜態(tài)磁致伸縮隨預(yù)應(yīng)力的增加而升高（詳見表1），這與預(yù)應(yīng)力條件下測量結(jié)果是一致的．眾所周知，當(dāng)軸向施加預(yù)壓應(yīng)力，磁疇的飽和磁化強(qiáng)度矢量因磁彈性能的變化而轉(zhuǎn)至與軸向垂直的方向．實(shí)驗(yàn)中所施加的外磁場平行于磁致伸縮棒軸向，為了使磁疇的飽和磁化強(qiáng)度矢量轉(zhuǎn)至磁場方向，磁場需要提供與磁彈性能相同的能量，此時(shí)應(yīng)力軸為難磁化軸．當(dāng)旋轉(zhuǎn)完成后，磁致伸縮也就達(dá)到飽和．因此，靜態(tài)磁致伸縮隨軸向預(yù)壓應(yīng)力的增加而升高．同時(shí)，可以觀察到隨著預(yù)應(yīng)力的增加，磁致伸縮隨電流變化的線性度也有所提高，這對(duì)于提高致動(dòng)器的精度具有積極意義．

3 Fe-Ga-Al致動(dòng)器靜態(tài)位移輸出特性

磁致伸縮致動(dòng)器的靜態(tài)位移輸出特性是研究動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)，它與致動(dòng)器結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)應(yīng)力數(shù)值、磁致伸縮材料性能參數(shù)等因素直接相關(guān)．對(duì)于靜態(tài)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，目的就是要獲得特定工作溫度和預(yù)壓應(yīng)力下致動(dòng)器的工作電流與輸出位移關(guān)系曲線，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)過程中相關(guān)參數(shù)選取是否合理，并對(duì)產(chǎn)生磁滯的原因進(jìn)行分析．

如圖4所示，在對(duì)Fe-Ga-Al致動(dòng)器施加5MPa預(yù)壓應(yīng)力條件下，當(dāng)輸入電流 =4A時(shí)，致動(dòng)器輸出位移d達(dá)到最大值11.2 m；同時(shí)可以看到，致動(dòng)器的輸出位移d=0.5 A附近時(shí)曲線的線性度較好，具有良好的陡降性，因此致動(dòng)器工作電流范圍可選擇0.2～0.8 A．

圖1 電弧爐制備合金磁致伸縮隨Al含量 的變化及定向凝固合金的磁致伸縮隨壓應(yīng)力的變化Fig.1 Al concentration x dependenceof themagnetostriction ofalloysand applied magnetic field dependenceof magnetostriction for thedirectional solidificationrod

圖2 Fe-Ga-Al致動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Theschematic diagram of the Fe-Ga-Al magnetostrictiveactuator

圖3 致動(dòng)器中磁致伸縮棒在預(yù)應(yīng)力條件下應(yīng)變隨電流的變化Fig.3 Current VSstrain under different applied compressivepressures

與圖4中所示的Terfenol-D超磁致伸縮器相比，F(xiàn)e-Ga-Al磁致伸縮致動(dòng)器的工作電流較小，在達(dá)到最大輸出位移時(shí)的電流也顯著降低．通過測量可知Fe-Ga-Al磁致伸縮致動(dòng)器在工作電流I=0.5 A時(shí)，其磁滯僅為0.19 A，而Terfenol-D超磁致伸縮致動(dòng)器在工作電流I=1.5A時(shí)磁滯高達(dá)0.85A．因此，F(xiàn)e-Ga-Al磁致伸縮致動(dòng)器相對(duì)更加適用于低電流、小體積和微位移的應(yīng)用條件．

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磁致伸縮棒在適當(dāng)預(yù)壓應(yīng)力條件下的磁致伸縮性能顯著提高．因此需要通過預(yù)壓機(jī)構(gòu)為磁致伸縮棒施加預(yù)應(yīng)力，使棒始終處于壓應(yīng)力狀態(tài)．為了確定Fe-Ga-Al磁致伸縮致動(dòng)器的最佳預(yù)應(yīng)力，對(duì)Fe-Ga-Al磁致伸縮致動(dòng)器在不同預(yù)壓應(yīng)力條件下進(jìn)行了輸出位移測量，獲得了0～25MPa預(yù)壓應(yīng)力下致動(dòng)器輸出位移與電流的變化關(guān)系，如圖5所示．

由圖5可知，在0～25MPa范圍內(nèi)，輸出位移隨電流變化關(guān)系曲線的斜率隨著預(yù)壓應(yīng)力的增大有所下降．同時(shí)，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可以看出，隨著致動(dòng)器預(yù)壓應(yīng)力從0 MPa增加到25 MPa，其最大輸出位移也近似線性的由10.3 m增至15.8 m，增幅約為53%．因此，在致動(dòng)器預(yù)壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)壓應(yīng)力數(shù)值．與Terfenol-D超磁致伸縮致動(dòng)器相比，F(xiàn)e-Ga-Al磁致伸縮材料的飽和磁場非常低，因此當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流較小的情況下，輸出位移與驅(qū)動(dòng)電流之間的線性度相對(duì)較好．

實(shí)驗(yàn)表明磁致伸縮致動(dòng)器的輸出位移與驅(qū)動(dòng)電流方向無關(guān)，只和驅(qū)動(dòng)電源的大小有關(guān)．根據(jù)磁致伸縮棒預(yù)壓應(yīng)力條件下的最大磁致伸縮系數(shù)和磁致伸縮棒的實(shí)際長度即可通過計(jì)算得到致動(dòng)器的最大輸出位移，具體數(shù)值詳見表1．當(dāng)預(yù)壓應(yīng)力為0～25 MPa區(qū)間時(shí)，致動(dòng)器的輸出位移計(jì)算值與實(shí)測值的百分差為6.50%～9.57%，這表明該Fe-Ga-Al致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠?qū)e82Ga9Al9磁致伸縮棒的磁致伸縮量有效地以輸出位移形式得以應(yīng)用．此外，由于Fe82Ga9Al9合金屬于鐵磁性材料，存在明顯的磁滯，導(dǎo)致致動(dòng)器的輸出位移在電流升降過程存在滯回現(xiàn)象，分析表明，致動(dòng)器的輸出位移滯回?cái)?shù)值與磁致伸縮棒的磁滯和致動(dòng)器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的滯回有關(guān)．因此，減小致動(dòng)器輸出滯回?cái)?shù)值就需要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：一方面，進(jìn)一步優(yōu)化材料成分、加工工藝等，從而使磁致伸縮棒本身的磁滯減??；另一方面，在磁致伸縮棒材料不變的情況下，通過優(yōu)化致動(dòng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)等參數(shù)的配置，以期減小致動(dòng)器的輸出滯回?cái)?shù)值．

表1 磁致伸縮致動(dòng)器預(yù)壓應(yīng)力條件下的輸出位移實(shí)測值Tab.1 Output displacement under applied compressivepressures

圖4 Fe-Ga-Al致動(dòng)器5 MPa預(yù)應(yīng)力條件下輸出位移隨電流的變化及Terfenol-D磁致伸縮致動(dòng)器5.7 MPa預(yù)應(yīng)力條件下輸出位移隨電流的變化Fig.4 Current dependenciesof output displacement for the actuator at 5 MPacompressivepressures and Terfenol-D actuator at 5.7 MPacompressivepressures

圖5 致動(dòng)器在0～25 MPa預(yù)應(yīng)力條件下輸出位移與電流的變化Fig.5 Current dependenciesof output displacement under applied compressivepressures（0～25 MPa）

4 結(jié)論

Fe-Ga-Al磁致伸縮材料因具有飽和磁場低、磁致伸縮系數(shù)高和磁滯較小等優(yōu)良性能，非常適用于磁致伸縮致動(dòng)器的研究與應(yīng)用．本文將定向凝固方法制備的Fe82Ga9Al9合金棒應(yīng)用于致動(dòng)器中，進(jìn)行了輸出位移特性的測試研究．結(jié)果表明致動(dòng)器在外加預(yù)壓應(yīng)力小于25 MPa時(shí)，最大輸出位移dmax=15.8 m．與Terfenol-D超磁致伸縮致動(dòng)器相比，在較小的驅(qū)動(dòng)電流即低磁場條件下，F(xiàn)e-Ga-Al磁致伸縮致動(dòng)器的輸出位移 與驅(qū)動(dòng)電流 之間具有更高的線性度．

輸出位移d與工作電流 變化關(guān)系曲線的斜率隨著致動(dòng)器預(yù)壓應(yīng)力的增大而下降．同時(shí)，由Fe-Ga-Al致動(dòng)器最大輸出位移與預(yù)壓應(yīng)力的變化關(guān)系可知，在0 MPa到25 MPa區(qū)間，隨著致動(dòng)器預(yù)壓應(yīng)力的增加，其最大輸出位移近似線性的增加了53%，因此，為了獲得最佳的輸出性能，在致動(dòng)器設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)預(yù)壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)．

[1]王博文，曹淑英，黃文美．磁致伸縮材料與器件 [M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2008．

[2]Clark A E，Restorff JB，Wun Fogle M，etal．Magnetostrictivepropertiesof body-centered cubic Fe-Gaand Fe-Ga-Al alloys[J]．IEEETransactions on Magnetics，2000，36（5）：3238-3240．

[3]Saito T，Sudo K．Magnetostriction and magnetic properties of Fe-Ga melt-spun ribbons[J]．Journal of Applied Physics，2011，109（7）：07A925-1-07A925-3．

[4]Wang B W，Li SY，Zhou Y，et al．Structure magnetic properties and magnetostriction of Fe81Ga19 thin films[J]．Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2008，320（5）：769-773．

[5]Mudivarthi C，Laver M，Cullen，etal．Originof magnetostrictionin Fe-Ga[J]．Journal of Applied Physics，2010，107（9）：09A957-1-09A957-3．

[6]Wang H，Zhang ZD，Wu RQ，etal．Large-scalefirst-principlesdeterminationof anisotropic mechanical propertiesof magnetostrictive Fe-Gaalloys[J]Acta Materialia，2013，61（8）：2919-2925．

[7]Walters K，Busbridge S，Walters S．Magnetic propertiesof epoxy-bonded iron-gallium particulatecomposites[J]．Smart Mater Struct，2013，22（2）：025009-1-025009-5．

[8]Zhou Y，Wang B W，Li SY，et al．Magnetostrictive properties of directional solidification Fe82Ga9Al9 alloy[J]．Journal of Applied Physics，2012，111（7）：07A332-1-07A332-3．

[9]Zhou Y，Wang B W，Li SY，et al．Themagnetostriction of Fe-（18-x）at%Ga-x at%Al（3≤x≤13.5）alloys[J]．Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2010，322（15）：2104-2107．

[10]王云章．電阻應(yīng)變式傳感器 [M]．北京：中國計(jì)量出版社，1990．

[11]王博文．超磁致伸縮材料制備與器件設(shè)計(jì) [M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2003．