Return to site

什么是磁致伸缩材料

铽镝铁超磁致伸缩材料

材料科学的出现

材料是提高人类生产生活水平的物质基础。人们以材料为标准划分自己的进化史:石器时代、青铜器时代、铁器时代。新材料则是高新技术的基础和先导,其本身也形成很大的高新技术产业。材料科学已被公认为21世纪高科技产业的基石,并与信息技术、能源技术、生物技术一起列为21世纪最重要最有发展潜力的领域。

尽管其源头可以追溯到公元前2000多年前的青铜器制造技术,但是材料科学作为一门独立的现代学科,其历史并不长。到了20世纪60年代,材料作为独立学系,才第一次出现在美国的大学中。而中国大学首次设立材料科学与工程系,则是在1977年、1978年左右。

向内看材料

材料是多种多样的,比如有金属、陶瓷、塑料、复合材料、电子材料、生物材料等等。尽管其种类繁多,但是人们发现它们中许多现象和原理却有着惊人的相似之处:相变机理、形变机理、断裂机理、缺陷行为等,都可以归因于材料的成分、组织结构、制备过程、性能和服役性能等这些共性要素的作用,以及这些要素之间的相互影响。除了人类对材料的好奇心以外,正是由于不同的材料有着共性的规律和原理,现代材料科学才成为了独立的学科。

向外看材料

而将眼光从材料本身移到其外部时,我们也能发现材料的几种特点引起了人们的关注。

其一为材料的基础性。这就好比,没有钢铁,则无汽车、火车,遑论飞机;又好比没有混凝土,则无高楼大厦、桥梁大坝。


其二为材料的先导性。高纯硅是信息产业最基础的原材料,这是信息革命中所体现的材料之基础性。而作为材料的高纯硅生产技术的突破之于信息革命,则体现了高纯硅之于信息产业的先导性。材料的先导性的例证还很多。比如超导现象自从发现以来,已被授予了3次诺贝尔物理学奖,其蕴含的意义可以说是不可估量。其中的详细就不赘述了,但这百年来人类一直不放弃超导材料的研究,并不是为研究超导而研究超导。之所以坚持超导研究,正是人们看到了它的先导性,看到了其在电子信息、能源、电机、交通等领域可能引起的革命性变化。


其三为材料的交叉性。一方面材料科学的研究需要多学科的知识交叉,一方面材料的应用总是横跨多个领域。REMA-CN所生产的铽镝铁超磁致伸缩材料,既可以把它应用于油田的超声波防蜡防垢降粘器,也可以应用于潜艇的声纳。

传统材料和新材料

定义传统材料和新材料时,首先要有的一个概念是,传统与新之间并没有绝对的划分标准,其间充满了主观判断。以传统材料为例:比如钢铁材料,比如碳材料,可说是历久弥新;再换个角度来看硅材料这个信息产业基础材料,其出现不过几十年,现如今已经被公认为传统材料了。

考虑新材料种类时,人们常常有治丝愈棼之感。其中一个原因就是,分类新材料的方法多种多样。比较常见的一种分类法是将其分为结构材料和功能材料。结构材料是以力学性能为基础,制造受力构件所用的材料;当然,结构材料对物理或化学性能也有一定要求,如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化性能等。功能材料则主要是利用材料的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料。本文所言及的稀土超磁致伸缩材料就属于功能材料。其中应用最广、名声最大的是铽镝铁超磁致伸缩材料,其被广泛称为Terfenol-D。不过不可以认为材料之间实际存在着严格区别。因为不同类材料之间存在着交叉和渗透。对于新材料,其交叉更是不可避免的。如纳米磁性材料,即可认为是纳米材料,也可将其视为电子信息材料。

新材料领域的相关政策

为了保持其在新材料领域的世界领先地位,美国国家科学基金会(NSF)、9个政府部门和工业界每年的相关总投入超过百亿美元。与此同时,日本有21世纪材料研究发展战略,欧洲尤里卡计划也将材料科学研究列为重要内容。

在中国,新材料一直被列为历次国家科技规划的重点领域。国家自然科学基金、国家攻关计划、国家支撑计划、国家863计划、国家973计划等均将材料列为重点。我公司的产品也不例外,为国家机械工业技术发展基金委员会列项的“稀土超磁致伸缩合金(REMA—Rare Earth Giant Magnitostrictive Alloys)的研制”项目。

中国在新材料领域的不足之处

虽然中国在此领域已经取得了长足进步,但不足之处也是显而易见的。在新材料领域,与发达国家比较,中国的总体水平落后约10 - 15年:

  1. 跟踪仿制多,自主创新少;
  2. 低性能、低附加值产品多,高性能、高附加值产品少;
  3. 新材料的工程应用开发滞后,成果转化率低,规模化生产程度低;
  4. 材料的合成与加工装备落后,资源和能源利用率低。
从上述4项来分析我公司产品,可以得出这样的结论:
  1. 制作工艺为我公司自主创新;
  2. 能够生产高性能产品;
  3. 材料的工程应用开发基本上都在欧美,国内的应用市场小,可以与超声波设备等相关企业一起进行应用开发,甚至自行开发相关应用;
  4. 除了少数项目,生产所用原材料基本可在国内解决,而经由我公司自主研发的加工设备基本满足生产需求。

新材料分类

由于材料涉及面广,因此其分类方法没有一个统一标准。即可以按照物理化学属性来分类,也可以按照用途来分类,不一而足。不过最常见的两种分类方法是,分为结构性材料与功能性材料,或者分为传统材料与新型材料。

为了便于参考和管理,科技部在《新材料及新材料产业界定标准(2004年)》中,对新材料进行了较严格的界定。之后,科技部高技术研究发展中心在2005年出台了《中国新材料产品与技术指导目录》,其12类具体技术领域分类中将稀土超磁致伸缩材料列为新型稀土材料。由国家发改委发起,中国科学院和中国工程院也发布了“十一五”新材料产业规划,提出17类重点发展的新材料,在这17类中,稀土超磁致伸缩材料又被分类为稀土功能材料。

从上述对稀土超磁致伸缩材料的分类可以看出,材料之间是不存在严格区别的,不同类材料之间也存在着交叉和渗透。如纳米磁性材料,即可认为是纳米材料,也可按照官方定义视其为电子信息材料。

压电陶瓷

这里提到压电陶瓷是因为压电陶瓷和稀土超磁致伸缩材料,在功能上是大致相同的。只是压电陶瓷能量要小得多,价格也便宜得多。目前,国内从事压电陶瓷频率器件生产的企业约有60家,主要分布在江浙一带。中国压电陶瓷行业与国外先进企业的差距主要表现为:

  1. 品种少、产量低、性能未系列化;
  2. 研制、生产水平落后;
  3. 频率器件生产线合格率低;
  4. 片式频率器件刚刚起步,其规模、技术水平、质量与国外先进水平有很大差距。

高纯稀土材料及稀土功能材料概述

我国稀土矿以轻稀土为主,分布在内蒙、四川、山东等地;中重稀土分布在江西、广东、湖南、福建、广西等省区。中国的重稀土矿富含世界其他现有矿物所短缺的元素,如稀土超磁致伸缩材料的关键原料之铽与镝,因此我国生产稀土超磁致伸缩材料有着得天独厚的条件,只可惜目前无论从材料生产行业还是材料应用行业上,中国还处于为他人作嫁衣裳的局面。

稀土磁性材料

作为一种重要的功能材料,稀土磁性材料是我国基础产业和高新技术产业发展的重要支撑,主要包括:稀土永磁材料、磁制冷材料、磁光材料、稀土巨磁阻材料,以及我公司REMA-CN的产品稀土超磁致伸缩材料。

 

稀土超磁致伸缩材料是一种新型功能材料,这种材料在电磁场的作用下可以产生微变形或声能,也可以将微变形或声能转化为电磁能,能够有效提高国防、航天、航空等领域的技术装备水平,因此曾被西方国家列为对中国禁运的功能材料。目前,2017年,是否仍被列为禁运品,不明。并,在许多高科技材料中具有无可替代的优异功能,才在可喜乃至巨大的潜在市场需要。但同时对其应用的研发在中国显得滞后,也是现实。目前超磁致伸缩材料已应用于智能机器人、深水检测和定位声纳。

作为磁性材料来看超磁致伸缩材料

抛开稀土,单纯从磁性材料的角度来概括一下稀土超磁致伸缩材料。磁性材料可以按照不同的标准进行分类。这里的分类标准是磁特性与应用:

  1. 永磁材料;
  2. 软磁材料;
  3. 磁记录材料;
  4. 旋磁材料;
  5. 磁性液体;
  6. 磁性吸波材料;
  7. 自旋电子学材料与器件;
  8. 磁制冷材料;
  9. 磁致伸缩材料;
  10. 其他。
磁致伸缩材料自成一类,指具有大磁致伸缩的一类磁性材料,如铁镍合金、稀土超磁致伸缩材料。主要用于超声波发生器、传感器、机电换能器。

铽镝铁超磁致伸缩材料

磁性材料被磁化时,其长度发生微小的变化,导致其伸长或缩短,这种现象被称为磁致伸缩。其特点是它的伸缩变化极为精确,因而在目前高新技术产品应用中,处于不可取代的地位。不同的磁性物质磁致伸缩的长度是不同的。具有显著磁致伸缩效应的磁性材料称为磁致伸缩材料。已得到实用的磁致伸缩材料分为三类:

  1. 金属磁致伸缩材料;
  2. 铁氧体磁致伸缩材料;
  3. 稀土超磁致伸缩材料。

稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数远高于常规材料,耦合系数也高。目前磁致伸缩材料的主流是稀土超磁致伸缩材料。这是一种新型功能材料,主要是指【稀土 - 铁系金属】间化合物,于美国20世纪80年代末开发。当时开发的美国公司所生产这种材料品牌为 Terfenol-D,并且长期处于独此一家别无分号的状态,所以很多人都习惯把稀土超磁致伸缩材料称为 Terfenol-D。不过中文的名称也实在太长了,可以认为中文名称已经长到了影响沟通交流的程度。这类材料具有比铁镍等大得多的磁致伸缩值,其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约100 -1000倍,因此被称为稀土超磁致伸缩材料。这种材料能实现磁电能 - 机械能的高效转换,对尖端技术、军事技术的发展及传统产业的现代化产生了重要作用,开辟了磁致伸缩材料的新时代。

尽管在中国市场上呈现潜力大需求小的态势,但是在国际市场上,稀土超磁致伸缩材料已进入需求增长期。20世纪末,随着世界科技革命的不断深入,新的稀土应用材料快速涌现。1984年,美国衣阿华州立大学、美国能源部的阿姆斯实验室和美国海军水面武器研究中心(后来成立的美国边缘技术公司 - ETREMA 的主要人员级来自该中心)共同合作研制出了一种新的稀土智能材料,即铽镝铁超磁致伸缩材料。这种新的智能材料具有将电能快速转换为机械能的优良特性,用这种超磁致伸缩材料制作的水声换能器和电声换能器已被成功配置在海军装备、油井探测扬声器、噪声与振动控制系统、海洋探测与地下通讯系统中。因此铽镝铁超磁致伸缩材料一诞生,即受到了世界各工业发达国家的广泛关注。其中最为知名的品牌为ETREMA公司的Terfenol-D。这种新材料诞生仅仅十年,其用量就达到了10t,市场销售规模既已接近1亿美元。2005年其用量已接近270t,市场销售规模超过了16亿美元。用量年均递增率超过了39%,市场销售规模的年均扩张速度则接近34%。目前国外涉足该材料生产研制的国家和公司,除美国边缘技术公司(ETREMA)、衣阿华州立大学、美国能源部下属的阿姆斯实验室和美国海军水面武器研究中心外,还有瑞典的费罗公司(FEREDUNAB)、瑞典乌普沙拉(UPDSALA)大学固体化学研究小组和英国的稀土制品公司(Pabnson Matthcy),日本TDK公司等。其中,美国边缘公司的技术实力最强,生产出的稀土超磁致伸缩材料的量也最多,约占世界总产量的75%以上。现在美国边缘技术公司除在美国本土销售该产品外,还在英国、德国、瑞典、澳大利亚和日本等地设立了销售公司,其用户已达上千家。现该公司工作人员,1/3从事铽镝铁超磁致伸缩材料的生产,还有2/3的人员从事应用期间的研制与开发。根据有关资料推算,美国边缘技术公司2002年的产值约为4.5亿美元。关于这种稀土新智能材料的发展前景,该公司总裁认为在今后的4-5年间,仅汽车市场的需求就可达428t。

夸了这个美国公司这么多了,这里夸一夸中国的研究吧。如果你在搜索引擎里查找相关的英文关键词,Terfenol-D,你会发现近年相关论文的作者,中国人能占到一半了。夸完了。因为中国市场对其应用的滞后,直接影响了包括本公司在内的为数不多的中国企业的研发和生产。不过,经过调查,换能器应该是一个突破口。目前其难点在于,换能器生产厂家对材料的性能非常不熟悉,材料生产厂家对换能器又几乎外行,两者都知道这材料应用于换能器的巨大潜力,但是就是没走到一块儿去。

在国内市场,稀土超磁致伸缩材料正处于应用推广过程。中国稀土超磁致伸缩材料的起步虽略晚于美国,但是由于中国科技人员的不懈努力,现在中国有关科研单位和企业也已掌握了生产这种新型智能材料的相关技术,并形成了具有自己特色的新生产工艺。比如北京钢铁研究总院1991年在国内率先制备出稀土超磁致伸缩材料棒材,获得了国家专利;北京有色金属研究总院发明了将熔炼 - 定向凝固 - 热处理等工序合并在一台设备上完成的一步法;浙江椒光集团开发出采用真空悬浮处理的新一步法;兰州天星公司也开发了年产能达吨级的生产线。而惠州市南方稀土功能材料研究院有限公司,也就是本公司,也凭借自己多年开发出的技术,打造出了产能大质量顶级的铽镝铁超磁致伸缩材料生产线,目前正积极在其开发、应用方面努力。这些科研单位和企业在突破稀土超磁致伸缩材料研制技术难关的同时,也形成了一定的生产能力,可向国内外市场提供相应的系列产品。

铽镝铁超磁致伸缩材料的市场

目前在军用民用领域都有市场需求。

  1. 民用领域的市场需求。铽镝铁超磁致伸缩材料的应用范围很广,除可用于机械、电子、汽车等行业外,还可用于水利工程、地球物理探测和油田采油装置上。以机械行业为例,中国的机床生产水平远远落后于工业发达国家,精密机床、数控机床仅占国内机床在用总量的1.7%,造成这种局面的重要原因就是,精密机床上配置的精密快速进给系统无法与国外相比。而采用铽镝铁超磁致伸缩材料之称的精密制动器,将能够实现这方面的突破。目前,国内机床生产企业上千家,产值约为30亿元人民币(2008年12月数据),国内采用普通材料生产的制动器满足不了机床行业的要求。因此,开发出使用铽镝铁超磁致伸缩材料的精密制动器将是机械行业发展的重中之重,巨大的市场份额给铽镝铁超磁致伸缩材料留下了极大的发展空间。
  2. 国防领域的市场需求。从美国发展该材料的历史来看,无论是材料的发明,还是早期的垄断性应用,都与军工领域(海军为代表)具有直接关系。尽管中国的军事国防部门对此材料的认识还在逐渐加强的过程中,但,在中国综合实力明显增强后,对实现21世纪军事战略、提高装备水平的要求注定会十分迫切。因此,军事国防部门大量使用稀土超磁致伸缩材料是历史的必然。

铽镝铁超磁致伸缩材料的展望

我国对铽镝铁超磁致伸缩材料的研究工作起步不算晚,今年针对材料本身的研究人员和论文也都在国际上明显占了多数,但是材料的产业化和应用开发方面还处于起步阶段。无论中外,无论材料本身还是材料应用,仍然是美国边缘技术公司 - ETREMA 一家独大。他们的品牌,Ternol-D 更是成为了这种材料的代名词。目前我公司所生产的材料质量已经非常好,即使不夸口超过了他们,至少也能说绝对在质量上不输于他们,已经有法国客户反馈说我们的材料质量过剩,希望能做的差一点从而降低价格。再加上,中国又拥有原料优势,希望能够有一天业内人士不再用Terfenol-D当作材料的代名词。

我们公司的方向

从世界范围和国内范围来看,此行业为非过热行业,此材料为先进材料,我公司的生产技术为成熟的先进生产技术。不过仍需在生产技术、生产装备、生产成本上,不过还是会继续改善,以求突破。同时我们也需要在材料应用器件上倾注更多的精力。通过与国外客户的接触和其他资讯,能看到国外很重视功能材料与元件、应用器件的一体化。

 

目前在稀土超磁致伸缩材料方面的研究,我国已经有很多成果,但在产业化和应用开发方面发展缓慢。面对稀土超磁致伸缩材料广阔的军民两用市场,中国的有识之士和企业家应该具备战略性的眼光,对这一21世纪应用前景广阔的功能材料的发展和应用有足够的了解和认识,密切关注该领域的发展动态,加快其产业化进程,推动和扶植其应用器件的开发和应用。

参考文献

  1. 【中国稀土学会年鉴】编辑委员会。中国稀土学会年鉴【M】。2006:414-495
  2. 张国成。稀土应用发展战略研究【M】。2004:30-150
  3. 中国工程院,中国科学院。高技术产业发展“十一五”专项规划发展重点咨询研究 - 新材料领域【M】。2005:111-131
  4. 赵增祺。我国稀土工业现状与发展趋势【J】。稀土信息,2007,(8):5-7
  5. 中国工程院化工、冶金与材料工程学部。中国稀土产业发展战略研究 综合报告【R】:1-12
  6. D. C. Jiles. Recent advances and future directions in magnetic materials [J]. Acta mMaterialia 2003, 51: 5907 - 5939
  7. 殷建华。 铽镝铁超磁致伸缩材料的市场前景【J】。世界有色金属,2006,(9):64-65
  8. 东南大学出版社。【前沿领域新材料】
  9. 贺西平。科学出版社。【稀土超磁致伸缩换能器】。
All Posts
×

Almost done…

We just sent you an email. Please click the link in the email to confirm your subscription!

OKSubscriptions powered by Strikingly