1 目的及意义
1.1 研究背景
磁致伸缩现象，是指物体在磁场中磁化时，在磁化方向会发生伸长或缩短。当通过线圈的电流变化或者是改变与磁体的距离时，其尺寸发生显著变化的铁磁性材料，通常称为铁磁致伸缩材料。其尺寸变化比目前的铁氧体等磁致伸缩材料大得多，而且所产生的能量也大，则称为超磁致伸缩材料。
磁致伸缩材料是磁功能材料的一种，其包括软磁、硬磁、磁致伸缩、磁记录、磁致冷、磁光材料等。它具有磁弹性性能与机械能（包括位移能、振动能、水声能、转矩、阻尼等）的相互转换功能。它可以制造各种功能器件，有：
（1）驱动器，如位移驱动器、扭转驱动器、旋转驱动器等。
（2）换能器，如水声换能器、电声换能器、超声换能器等。
（3）振动器，如振源器、减振器、反振动与反噪声器、阻尼器等。
（4）传感器，如扭矩传感器，压力传感器、位移传感器、液位传感器等。
（5）其他功能器件，如能量收集器、快速锁定与解锁器件等。
磁致伸缩材料制造的功能器件大多不需要传统的机械装置，可实现材-电-机一体化，其结构简单化、灵巧化、高效化、智能化及集成化。因此许多人认为磁致伸缩材料是智能材料的一种。
自从1842年焦耳发现铁丝具有线性磁致伸缩应变效应（即焦耳效应）的近170年来，科学家们坚持不懈地对其进行研究，使得磁致伸缩材料取得长足发展。其发展经历四个阶段：
第一阶段是探索阶段，从1842年到20世纪30年代，经历了近百年的时间，人们研究了物质磁致伸缩的物理本质和各种材料的磁致伸缩应变。
第二阶段是发现纯Ni和FeCo基合金磁致伸缩材料与应用的阶段，从20世纪30年代到60年代，经历了三四十年的时间，人们先后发现了纯Ni和FeCo基合金有较大的磁致伸缩应变，并用其来制造水声换能器、电话接收机、水听器和各种传感器。
第三阶段是稀土磁致伸缩材料的发展与应用研究阶段，从20世纪60年代到20世纪的末尾，经历大概40年的时间，人们先后研究发展了lt;112gt;轴向取向及lt;110gt;轴向取向的TbDyFe磁致伸缩材料，并应用于制造低频大功率声呐发射换能器、水声对抗换能器、大功率超声换能器、大功率振源、反振动与反噪声器、极大地促进了相关技术的发展。但是稀土磁致伸缩材料的原材料价格昂贵，材质脆，驱动磁场大，限制了它的应用。
第四阶段是人们发展Fe-Ga与钴铁氧体磁致伸缩材料以及探索其应用阶段，从21世纪初开始到现在。2000年Clark等人首先发现Fe-Ga单晶体具有低场高磁致伸缩材料应变，引起了全球的关注。后来人们陆续发现Fe-Ga合金的原材料成本较低，具有高强度，可制造取向大块体材料、可冷(温)轧成板特或带材、可冷(温)提成丝材，还可以制成二维薄膜材料，也可以制成一维纳米线材，甚至可以加工成零维粉末材料。人们发展Fe-Ga磁致伸缩材料的同时，还发展了钴铁氧体磁致伸缩材料。钴铁氧体磁致伸缩材料有很多优点:磁致伸缩应变高，其中λs已达到(300 ~400)x10-6;它对磁场或对应力的敏感度高，它的电阻率高、涡流损耗小，适合在高频领域应用，化学稳定性好，制造设备简单，原材料成本低。Fe-Ga与钴铁氧体磁致伸缩材料相辅相成取长补短。它们的应用可以覆盖纯Ni、FeCo、稀土磁致伸缩材料的各个领域。它将会促进驱动器、换能器、传感器与其他功能器件的跨越式发展，将促进材电-机一体化，尤其是对现代制造与装备实现网络么与智能化的融合将起到重要的促进作用。
而超磁致伸缩材料(giant magnetostrietive matetal, 简写为GMM)是种在室温和低磁场条件下， 就能产生很大磁致伸缩应变的新型功能材料，具有输出力大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出应变大等优点，在智能系统中具有广泛的应用前景，其力学响应行为涉及变形场、磁场、涡流场、温度场相互耦合问题，直接关系到智能系统的性能指标和可靠运行。超磁致伸缩材料(GMM)在超精密加工、微电子技术以及生物工程等领域有着广阔的应用前景。GMM材料具有双向可逆能量转换效应，其正磁致伸缩效应可应用于精密致动、流体控制（泵和阀）、声纳系统、主动减振降噪等系统，而其逆磁致伸缩效应则可用于开发力、扭矩、磁场强度等传感器件。目前人们已经设计并制造出各种智能结构和器件，如:主动减振装置、高精度线性马达、超磁致伸缩微泵、微阀门、微定位装置等等，使得磁致伸缩材料在众多的功能材料中备受瞩目。
超磁致伸缩材料(GMM)是A.E.Clark等人于70年代发现的，是一种新型的功能材料,它能有效地实现电能与机械能的相互转换。由于具有应变值大、电能机械能转换效率高、 能量传输密度大、高响应速度等特点，该材料已引起厂泛的注意，并逐步开始应用于声纳、超声器件、微位移控制、机器人、流体器件中。其中GMA（超磁致伸缩致动器）是目前研究的热点，由于GMM材料存在内在的磁致非线性并对温度、应力等因素极为敏感，使得GMA的设计与应用具有一定的挑战性。1.2 国内外研究现状
本课题主要以超磁致伸缩致动器为基础，通过柔顺放大机构，通过旋转型摆动形振动头的输出，产生合理的旋转型机械振动激励输出。
可用于施加在工作对象上产生高频动态的旋转型振动激励。
1.2.1 国内研究现状
国内研究中发现，振动时效(VSR)技术是一种近年来越来越被人们关注的清除工件内部残余应力的方法，而激振器是该系统中的一个重要部件 。目前，国内外振动时效设备主要是以电机偏心轮构成的振动设备。它们有着许多不足之处，例如振幅大、频率低、噪音大、体积大等，特别是较大的振幅，比较容易使材料发生疲劳损伤，从而使用户对振动时效技术的使用存在顾虑，进而影响了振动时效在实际中的应用。为此，选用了一种基于稀土超磁致伸缩材料(GMM)制作的高频激振器，它的振动频率可达到1000Hz以上，因在同样激振加速度的情况下，振动幅度较小，所以不易造成材料的疲劳损伤，因而便于振动时效技术的推广应用。
稀土超磁致伸缩材料(GMM)是指在室温和低磁场下能产生很大的磁致伸缩应变的三元系稀土化合物TbxDy1-xFey, (一般取x=0.27, y=1.95).其典型的材料是Terfenol-D.这里采用的是包头稀土研究院研制的牌号为BRTD20的超磁致伸缩材料(TbDy)Fe2。Terfenol- D棒处在激励线圈和偏置线圈产生的合磁场中，随着通入电流大小的变化而引起磁场强度的改变，Terfenol-D 棒就会发生伸缩变形，如图1所示。

图1Terfenol- D棒的静态工作曲线 图2稀土超磁致伸缩激振器结构图
根据GMM的特性，利用典型材料Terfenol-D设计出如图2所示的稀上超做致伸缩激振器的结构原理图。Teienol-D棒的伸缩变形，推动定位块和质量块运动。其中定位块、质最块、弹簧和预紧套筒构成了Teienol-D棒的预压力机构，以使棒内部的磁畴在外磁场为零的情况下尽可能的沿着与轴向应力垂直的方向排别，从而在外加激励磁场的情况下，可以获得较大的轴向位移输出。定位块、底座、外壳、Terfenol- D棒和气隙构成了闭合磁路。
1.2.2 国外研究现状
Terienol-D等材料作为一种新型高效磁(电)—机械能转换材料，它的出现立即引起了高技术领城的广泛关注，应用研究十分活跃。目前在应用研究方面处于锁先地位的有ABB、Kockums、Volvo和SKF等公司。其主要应用领域如下。
(一)大功率低频声纳系统
电磁波是目前人类联系和探测的主要工具，但在水下，电磁波因衰减过快而无法被利用。声讯号是在水下进行通讯、探测、侦察和遥控的主要媒介。发射和接收声波的声纳装置，其核心元件由压电陶瓷或磁致伸缩材料制成。Terfenol-D与压电陶瓷(如PZT)相比有以下优点：（a）输出功率大1~10倍，(b)响应频率低(0~5kHz)，信号在水下衰减小，传送距离远,(C)在几十伏的低压下工作，无压电陶瓷在数千伏高压下工作的绝缘击穿等问题。
由于声纳是潜艇的眼、耳和口,所以美国海军系统对于Terfenol-D的上述优点特别关注,从一开始就参与和控制Terfenol-D的研制工作，声纳也就成为稀土超磁致仲缩材料最早和最重要的应用器件。
此外，Terfenol-D在精鱼、海东测绘和探矿、油并测深以及材料探伤等民用声纳中也有应用前景，ABB和Offshore公司已研制了油井测井和海底测绘的Terfenol-D装置。近几年，美国用于声纳的Terfenol-D已达1万时/年，
RFe2等化合物的弹性模量(E)随磁场改变的变化极大，TbFe2、SmFe2和Tb0.3Dy0.7Fe2多晶的ΔE/E分别可达240、214和148%，而Ni和Fe分别仅为6~18和0.4%。由于E的变化，声速(v )也随磁场发生显著改变。在4.3kOe磁场中，Terfenol-D中声速空化(Δv/v )达57~61%，而Ni中仅变化6~9%。 利用这种效应,Terfenol-D可制成频率可随磁场调节的延迟线、谐震器和滤波器等器件， 在声纳系统和其它系统中应用。
(二)高精度快速微位移致动器
Terfeno1-D不仅磁致应变大，而且承受应力大，响应速度高。利用这些特性可以制成结构简单的致动器，对位移进行快速精密无反冲地控制，在机器人、阀门、精密车床和微动工具等机构中应用。这是Terfenol-D较新的应用领域。一些液压公司已研究了用简单的Terfenol-D元件代替步进马达对阀门进行精密控制，瑞典设计了对燃料喷射阀进行控制的装置，并宜称这是对燃料系统和自动系统的一次真正突破。日本用Terfenol-D为微动工具杆设计了分辨率达10-9m的高功率步进驱动器件。
(三)高能微型机械功率源
Terfenol-D高能量密度的特性可用于设计高能微型马达和其它机械功率源。ABB公司正在研究，用Terfenol-D棒直接推动油泵活塞，用在北海油田代替海底油泵的所有转动部件，以排除水下维修的困难。日木将Terfenol-D和PZT相结合，设计了差动线性马达和回转可逆马达。
Clark等根据Terfenol-D的"jump效应”（跃变效应），提出了一种设计蠕动马达或磁致伸缩马达的设想，置于压应力和约200Oe偏置场下的元件，在100~200Oe的触发磁场下就可产生约1000X 10-6的位移量，这种马达的输出功率可大于触发功率。
(四)阻尼减震系统
利用Terfenol-D可将机械运动反转成磁能的原理，可为马达和精密仪器设计阻尼减震系统。对于未来的运载工具， 有人提出了用Terfenol- D伺服阀控制液压柱产生阻尼的想法。
(五)有应用价值的其它性能
多元RFex化合物有一补偿温变(易轴转变温度)。在此温度其热膨胀系数从5X10-6/K突然增大到115x10-6K,弹性模量也发生缝锐变化。改变材料的成分或磁场可引起补偿温度变化。这一现象为设计传感器提供了新的依据。
稀土超磁致伸缩材料还是一种新开发的材料，随着材料研究和工艺研究的深入，新性能的发现以及材料成本的降低，应用研究将不断扩展。
1.3 研究意义
GMM的尺寸伸缩可随外加磁场成比例变化，其磁致伸缩系数远大于传统的磁致伸缩材料。GMM在室温下机械能－电能转换率高、能量密度大、响应速度高、可靠性好、驱动方式简单，正是这些性能优点引发了传统电子信息系统、传感系统、振动系统等的革命性变化。而由于激振器在运行过程中承受的力矩和振动较大，会造成传动系统故障，常见的有轴承室、轴承位磨损等。该类问题发生后，传统方法以补焊或刷镀喷涂为主，但两者均存在一定弊端：补焊高温产生的热应力无法完全消除，易造成材质损伤，导致部件出现弯曲或断裂；而电刷镀受涂层厚度限制，容易剥落，且以上两种方法都是用金属修复金属，无法改变“硬对硬”的配合关系，在各力综合作用下，仍会造成再次磨损。采用GMM材料，利用其以下特性可以高效运行、节约成本。
（1）磁致伸缩系数非常大，是Fe、Ni等材料的几十倍，是压电陶瓷的3~5倍，其磁致伸缩性能优异，在磁场作用下位移量大而做功多。
（2）超磁致伸缩材料的能量转换效率在49%~56%之间，而压电陶瓷在23%~52%之间，传统的磁致伸缩材料仅为9%左右。
（3）居里温度在300以上，远比压电陶瓷(锆钛酸铅PZT)要高，因此在较高温度下工作都可保持性能稳定。
（4）能量密度大，是Ni的400~800倍，是压电陶瓷的12~38倍，适合在大功率下工作。
（5）产生磁致伸缩效应的响应时间短，可以说磁化和产生应力的效应几乎是同时发生的，其灵敏度很高，可以做到精微控制。
（6）抗压强度和承载能力大，可在强压力环境下工作。
（7）工作频带宽，不仅适用于几百Hz以下的低频，而且适用于超高频。