CN108242501B

CN108242501B - 磁致伸缩器件及其制备方法

Info

Publication number: CN108242501B
Application number: CN201611226594.3A
Authority: CN
Inventors: 罗阳; 谢佳君; 彭海军; 于敦波; 闫文龙; 权宁涛; 杨远飞; 豆亚坤
Original assignee: Grirem Advanced Materials Co Ltd
Current assignee: Grirem Advanced Materials Co Ltd
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: JP2018137427A; ZA201708492B; CN108242501A

Abstract

公开了一种磁致伸缩器件，所述器件包括一磁致伸缩带芯，其特征在于，所述磁致伸缩带芯呈柱状结构，相对断面具有螺旋回路，带芯外圆周方向缠绕产生磁场的感应线圈；所述磁致伸缩带芯由扁平状带材卷绕而成，叠片系数N为75％～85％。磁致伸缩器件可将降低磁致伸缩材料高频下的涡流损耗，提高磁致伸缩材料的致动精度，扩宽材料的应用领域；同时，也提高了快淬磁致伸缩材料的利用效率。

Description

磁致伸缩器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种磁致伸缩器件及其制备方法，属于磁性材料器件领域。

背景技术

Fe-Ga合金是一种新型的磁致伸缩材料，相比传统的Terfenol-D，它最大的特点是具有较低的饱和磁场和较高的机械强度，饱和场低仅为8-17kA/m，约为Terfenol-D的1/10，磁场灵敏度高。在一些应用中，不需采用复杂的预应力结构，器件结构设计相对简单。Fe-Ga合金为金属固溶体，强度高，脆性小，同时具有较高的抗拉强度(500MPa)和延展性，特别适用于那些具有强震动、冲击、大负荷、腐蚀强的恶劣条件。此外，该合金还有很高的磁导率，居里温度高，有很好的温度特性，能在很宽的温度范围内使用，因此，在传感器和致动器方面有很好的应用前景。

传统的定向凝固法制备的Fe-Ga合金的饱和磁致伸缩系数只有200-300ppm，这远小于Terfenol-D的2000ppm。另外，由于Fe-Ga合金的电导率较高，当该合金块体材料在高频条件下使用时会出现大的涡流损耗。这些使其应用范围受到限制，所以提高Fe-Ga合金的磁致伸缩性能，降低其服役时的涡流损耗成为其应用的关键因素之一。

针对上述问题，由于FeGa合金具有较好的延展性，在实际应用中，可以将Fe-Ga合金采用快淬或轧制的方法制成厚度很薄的纳米晶带材。这样可以大幅度降低材料在高频下的涡流损耗，拓展材料的使用范围。

例如，中国专利申请CN103320682 A提出采用熔体快淬法制备Fe_100-x-yGa_xM_y材料，采用铜坩埚方法之别得到快淬薄带。中国专利申请CN103556045 A提出一张FeGa与TbDyFe赝二元系材料，采用各向异性补偿原理获得具有大磁致应变、低驱动场、高力学性能的快淬FeGa材料。中国专利申请CN105177227 A提出针对快淬FeGa材料。

然而，在实际应用中，如何应用薄带状的FeGa材料，充分利用其大的磁致伸缩特性，并且提高其高频下磁致伸缩特性与精密致动稳定性，仍然是人们面临的一个较大的技术问题。

发明内容

为了解决以上技术问题，发明人提出一种新型的磁致伸缩块体器件及其制备方法。该器件具有高磁致伸缩系数，低涡流损耗。

为实现上述目的，一方面，本发明拟采取以下技术方案：一种磁致伸缩器件，所述器件包括一磁致伸缩带芯，其特征在于，所述磁致伸缩带芯呈柱状结构，相对断面具有螺旋回路，带芯外圆周方向缠绕产生磁场的感应线圈；所述磁致伸缩带芯由扁平状带材卷绕而成，叠片系数N为75％～85％。

实际使用过程中，将感应线圈通电，产生磁场，线圈内部的磁致伸缩带芯在磁场作用下产生磁致伸缩。

传统的方法，为叠片法生产，即将快淬法或者轧制法制备的磁致伸缩薄片堆叠在一起，采用这些方法材料利用率低。更重要的是，施加磁场时，难以保证磁场均匀分布在材料上，因此导致各叠片受磁场不均匀，伸缩不一致，难以达到精确致动控制。

本发明中，由于线圈为环形，在环形内部磁场均匀分布，在此情况下，通过绕线法制备磁致伸缩带芯，可以达到磁场分布均匀，各螺旋回路伸缩均匀，从而可以实现更加精密的控制。

因此，磁致伸缩带芯为采用扁平状带材卷绕而成。本发明中，优选扁平状带材制备方式为快淬法，该方法通过将熔融的合金钢液铺展到旋转的辊轮上快速冷却而得到，通过该方法不仅可以有效抑制合金成分偏析，而且有利于磁致伸缩带材宽度与厚度的精确控制，从而达到卷绕后带芯的高一致性。

通过该快淬法制备的磁致伸缩带芯通过卷绕，形成柱状结构，相对断面具有螺旋回路。

根据前述的磁致伸缩器件，其中，所述叠片系数N为带芯的有效面积系数，通过测量带芯的内径D1，外径D2，螺旋回路片数n，厚度d，由下列公式计算得到：

叠片系数越高，带芯的有效面积越大。有利地，该螺旋回路的叠片系数为75～85％。叠片系数低于75％，说明带芯中螺旋回路分布不均匀，影响最终精密致动的效果，叠片系数太高，一方面给制造带来较大的麻烦，另一方面也影响高频下使用性能。

根据前述的磁致伸缩器件，其中，所述磁致伸缩带芯主要成分为Fe_100-x-yGa_xM_y，M为Al、Ni、Co、Si、B、La、Y、Ce中的一种或多种，其中5≤x≤25，0≤y≤10，均为质量比。

采用FeGa材料主要考虑到相比传统的Terfenol-D，它最大的特点是具有较低的饱和磁场和较高的机械强度，饱和场低仅为8-17kA/m，约为Terfenol-D的1/10，磁场灵敏度高。在一些应用中不需采用复杂的预应力结构，器件结构设计相对简单，同时Fe-Ga合金为金属固溶体，强度高，脆性小，同时具有较高的抗拉强度(500MPa)和延展性，特别适用于那些具有强震动、冲击、大负荷、腐蚀强的恶劣条件。

根据前述的磁致伸缩器件，其中，所述磁致伸缩带芯主要成分采用快淬法制备得到。采用快淬法制备得到的FeGa材料有利于发挥其力学性能的优势，制备得到带片厚度只有约为轧制带材的1/10，从而更有利于发挥其高频下使用性能。

在本发明的FeGa成分中，5≤x≤25，0≤y≤10，均为质量比。在该成分范围内有利于获得单一A2相合金，避免DO3、DO19、L12等有序相的出现。单相有利于获得更高磁致伸缩性能。一定量的第三组元M的加入即可以保持Fe-Ga合金的基本结构性质，又可提高合金的磁致伸缩性能、居里温度、机加工性能等，其中Al、Ni的加入可以改善材料的机加工性能，提高快淬扁平状带材的延展性，提高带片平整度；Co的加入可以改善其温度温度性；Si和B的加入，可以改善快淬的稳定性，降低带片表面粗糙度，有利于单一A2结构的形成；La、Y、Ce的加入可以改善其软磁性能，提高高频下材料的磁性稳定性。M的含量在0～10wt.％范围内，其中y＝0表示为单一FeGa材料，M含量高于10wt.％会造成磁致伸缩性能的降低明显。

根据前述的磁致伸缩器件，其中，所述扁平状带材厚度为50～150μm，宽度大于10mm。

有利地，磁致伸缩带芯中，扁平状带材厚度为50～150μm，宽度大于10mm。厚度在此范围内有利于提高磁致伸缩器件的高频性能，但是扁平状带材厚度小于50μm会造成制备困难，扁平状带材的平整度差，叠片系数低，厚度大于150μm会不利于高频下的使用性能。一般地，为了达到器件的使用效果，本发明的带材宽度大于10mm，根据具体使用尺寸可以进行适度裁剪。

根据前述的磁致伸缩器件，其中，所述磁致伸缩带芯的螺旋回路之间填充有绝缘粘结剂。

绝缘粘结剂的存在进一步降低磁致伸缩器件高频下的涡流损耗，降低器件的发热，提高器件应用稳定性与精度。

根据前述的磁致伸缩器件，其中，所述绝缘粘结剂选自环氧树脂。

根据前述的磁致伸缩器件，其中，为了进一步提高磁致伸缩器件的致动精度，需要器件中磁场分布均匀，有利地，在带芯芯部进一步增加软磁材料，以达到形成磁回路的目的。

根据前述的磁致伸缩器件，其中，所述软磁材料包括FeNi粉芯、FeSiAl粉芯、FeNiMo粉芯、铁粉芯、铁氧体粉芯。

另一方面，本发明还提供了一种制备本发明前述磁致伸缩器件的方法，包括如下步骤：

(1)扁平状带材制备：通过感应喷铸法将熔融的合金熔液喷射到旋转的辊轮上，快速冷却制备得到扁平状带材；

(2)卷绕：挤压并且卷绕所述扁平状带材，形成带卷绕体即带芯，所述带芯为螺旋回路；

(3)线圈制备：在带芯外部缠绕感应线圈，得到磁致伸缩器件。

根据前述的方法，其中，在步骤(2)之后，包括一浸胶工序；该工序将带卷绕体浸入到熔融绝缘粘结剂中，使螺旋回路之间填充粘结剂。

根据前述的方法，其中，在步骤(2)之后，包括一热处理工序；该工序将挤压后的带卷绕体在50～300℃范围内进行热处理。

与现有技术相比，本发明具有下列优势：

本发明的磁致伸缩器件一方面可将降低磁致伸缩材料高频下的涡流损耗，提高磁致伸缩材料的致动精度，扩宽材料的应用领域；另一方面，也提高了快淬磁致伸缩材料的利用效率。

附图说明

图1为本发明磁致伸缩带芯示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

通过下述实施例将有助于理解本发明，但不能限制本发明的范围。

实施例

本发明涉及的磁致伸缩器件，主要采用以下方式获得：

(1)扁平状带材制备

通过感应喷铸法将熔融的合金熔液喷射到旋转的辊轮上快速冷却制备得到扁平状带材。

在该制备过程中，带材成分、厚度d(单位为μm)、宽度W(单位为mm)如表1中所示。

其中材料成分采用ICP测量，厚度与宽度采用螺旋测微器测量。

(2)卷绕

挤压并且卷绕所述扁平状带材，形成带卷绕体，所述带卷绕体为螺旋回路。

卷绕之后，可测量磁致伸缩带芯的叠片系数，本发明中，通过测量带芯的内径D1，外径D2，螺旋回路片数n，可计算叠片系数N为：

(3)线圈制备

在带芯外部缠绕感应线圈，得到磁致伸缩器件。

线圈为铜漆包线，匝数、铜线直径以带芯宽度的70～95％为宜。

为了进一步提高磁致伸缩材料的高频下应用特性，增加以下浸胶与热处理工序。

浸胶：将带卷绕体浸入到熔融绝缘粘结剂中，使螺旋回路之间填充粘结剂。

热处理：将挤压后的卷绕体在50～300℃范围内进行热处理。

最终器件的损耗P(单位W/kg)及磁致伸缩系数λ也见于表1中。

表1磁致伸缩器件成分及性能

序号	成分	d	W	N	热处理	P	λ
								1	Fe<sub>83</sub>Ga<sub>17</sub>	150	15	85％	300	48	228
2	Fe<sub>82</sub>Ga<sub>16</sub>Al<sub>4</sub>	120	12	80％	50	39	219
								3	Fe<sub>80</sub>Ga<sub>15</sub>Co<sub>5</sub>	80	13	75％	250	30	230
4	Fe<sub>75</sub>Ga<sub>20</sub>B<sub>5</sub>	120	20	82％	250	41	218
								5	Fe<sub>78</sub>Ga<sub>19</sub>Y<sub>3</sub>	130	25	81％	250	45	220
6	Fe<sub>74</sub>Ga<sub>18</sub>Al<sub>2</sub>B<sub>6</sub>	50	15	85％	250	23	201
								7	Fe<sub>70</sub>Ga<sub>20</sub>B<sub>8</sub>Y<sub>2</sub>	70	19	79％	250	27	220

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1. 一种磁致伸缩器件，所述器件包括一磁致伸缩带芯，其特征在于，所述磁致伸缩带芯呈柱状结构，相对断面具有螺旋回路，带芯外圆周方向缠绕产生磁场的感应线圈；磁致伸缩带芯芯部增加软磁材料；所述磁致伸缩带芯由扁平状带材卷绕而成，叠片系数N为75%~85%；所述软磁材料包括FeNi粉芯、FeSiAl粉芯、FeNiMo粉芯、铁粉芯、铁氧体粉芯；所述扁平状带材厚度为50~150 μm，宽度大于10 mm；

所述叠片系数N为带芯的有效面积系数，通过测量带芯的内径D1，外径D2，螺旋回路片数n，厚度d，由下列公式计算得到：

。

2.根据权利要求1所述的磁致伸缩器件，其特征在于，所述磁致伸缩带芯主要成分为Fe_100-x-yGa_xM_y，M为Al、Ni、Co、Si、B、La、Y、Ce中的一种或多种，其中5≤x≤25，0≤y≤10，均为质量比。

3.根据权利要求1所述的磁致伸缩器件，其特征在于，所述磁致伸缩带芯主要成分采用快淬法制备得到。

4.根据权利要求1所述的磁致伸缩器件，其特征在于，所述磁致伸缩带芯的螺旋回路之间填充有绝缘粘结剂。

5.根据权利要求4所述的磁致伸缩器件，其特征在于，所述绝缘粘结剂包括环氧树脂。

6.一种制备权利要求1-5任一项所述磁致伸缩器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1) 扁平状带材制备：通过感应喷铸法将熔融的合金熔液喷射到旋转的辊轮上，快速冷却制备得到扁平状带材；

(2) 卷绕：挤压并且卷绕所述扁平状带材，形成带卷绕体即带芯，所述带芯为螺旋回路；

(3) 线圈制备：在带芯外部缠绕感应线圈，得到磁致伸缩器件。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤(2)之后，包括一浸胶工序；该工序将带卷绕体浸入到熔融绝缘粘结剂中，使螺旋回路之间填充粘结剂。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤(2)之后，包括一热处理工序；该工序将挤压后的带卷绕体在50~300 ℃范围内进行热处理。