引 言

GMM 在常溫下因磁化狀態(tài)的改變，其長度與體積將會隨之變化。也就是說，GMM 具有強大的磁致伸縮系數(shù)，因其多為稀土構筑，而又被稱為超磁致伸縮材料。GMM 材料具有較強的耐熱溫度性能，磁致伸縮性能極高，在普通室溫下， 就能保持較高的機械能與電能轉換，且能量密度大、響應速度快，是目前運用在機械電子工程中非常重要的材料[1]。本文針對 GMM 材料的性能、優(yōu)點及其在機械電子工程中的具體應用展開分析，并就其應用現(xiàn)狀和發(fā)展前景進行探討。

1 GMM的性能特點與優(yōu)勢分析

1.1 GMM 概述

超磁致伸縮材料自身的尺寸會隨著外加磁場的變化而變化，磁致伸縮系數(shù)大，遠遠大于傳統(tǒng)的磁致伸縮材料，這也正是其優(yōu)勢所在。早在 1971 年，美國海軍在進行表面武器實驗時，在尋找磁致伸縮材料時發(fā)現(xiàn)了如TbFe2、DyFe2、SmFe2 等具有較高磁致伸縮系數(shù)性能的材料。并且根據(jù)美國海軍的相關實驗得出，這些材料需要較高的磁場來驅動，這樣一來就限制了材料的運用。后來，他們通過研制一些新的合金材料發(fā)現(xiàn)其具有很高的居里溫度，而且還能提高其磁致伸縮性能， 并能被廣泛的應用起來，至此，磁致伸縮材料得到了較大的關注。

1.2 GMM的特點

在室溫下，GMM 具有很高的機械能轉電能轉換率，且能量密度大、可靠性高、響應速度快，能夠方便簡單進行驅動 [2]。而正是因為這些特點和優(yōu)勢，使得 GMM 在機械電子工程中的應用得到了廣泛關注，同時，也促進了電子信息系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)以及振動系統(tǒng)的改革。一方面，GMM 的磁致伸縮系數(shù)非常大，甚至比 Fe、Ni 等多種材料多出幾十倍，而且正是因為這樣的性質，使得超磁致伸縮材料迅速得到發(fā)展。另一方面，因超磁致伸縮材料的能量轉換高，甚至能夠達到 49% ～ 56%， 超越了壓電陶瓷 23% ～52% 的轉換率，所以GMM 更可以應用于制造高能量轉換率的機電產(chǎn)品。

1.3 GMM的性能

相較于壓電材料與傳統(tǒng)磁致伸縮材料來講，GMM 有著巨大的優(yōu)勢。比如，在常溫下，GMM 磁致伸縮材料的伸縮應變較大，甚至可以達到 Ni 的 40 ～50 倍，是壓電材料的 5 ～8 倍 ；其能量密度高，遠遠超越了 Ni 等材料的能量密度；同時， GMM 還具有超快的反應速度，可以在幾十毫秒以內(nèi)反應，有的甚至可以達到微秒級；不僅如此，GMM 擁有強大的輸出力， 能夠帶動高強度的荷載。除此之外，超磁致伸縮材料的磁機耦合系數(shù)較大，所以其電磁機械能的轉換效率也較高 ；不僅工作性能穩(wěn)定，居里點溫度高，而且在大功率的工作條件下， 也不會因器件過熱而導致磁致伸縮特性失效，而只需要進行冷卻恢復 [3]。最后，我們所知道的 GMM 材料工作頻帶寬，可以用于幾百赫茲以下的低頻但也同樣適用于超高頻。

2 GMM在機械電子工程中的應用現(xiàn)狀

2.1 GMM 在液壓閥中的運用

所謂液壓閥就是機械電子工程中液壓傳動系統(tǒng)中的一個控制元件，專門用于控制系統(tǒng)流體、調節(jié)流動壓力以及流量的。通常這種液壓閥中包括微型開關閥、比例閥以及單極電液伺服閥等環(huán)節(jié)都有使用超磁致伸縮材料。首先來說微型開關閥，其應用原理主要是通過利用薄膜伸縮效應來實現(xiàn)對控制閥的控制，當外界磁場為 30 mT 時，就是開關閥的最大開口量， 這樣一來就可以小小降低驅動磁場。對于比例閥的使用主要是通過發(fā)揮磁致伸縮棒來實現(xiàn)輸出位對比例閥進行控制，當300 Hz時閥芯位達到 0.122 1 毫寸，最高驅動信號的頻率就是5 kHz[4]。其次，對于單極電液伺服閥以采取閉環(huán)控制的措施，使其結構緊湊的同時，能夠達到較高的緊密度 ；GMM 運用于擋板型伺服閥時會擴大其壓力控制范圍，讓其擁有較高的反應速度。

2.2 GMM 在液壓泵中的應用

所謂磁致伸縮泵就是利用磁場強度在GMM 軸線上的分布，直接對液壓泵的活塞進行驅動，以此來提高電磁機械的轉化效率，達到較高的效率。而目前，人類已經(jīng)退出類似于電池一樣密閉性較強的GMM 液壓泵，這種泵也要具有較高的精度控制流，當外磁場變化頻率為 2 kHz 時，可以將泵輸出流量提高到 10 L/min。不僅如此，很多國家已經(jīng)研制出了GMM 聲納換能器，能夠廣泛應用于水下通信、跟蹤定位等方面，這些應用都是 GMM 得到了巨大的推廣和發(fā)展。圖 1 所示為薄膜型磁致伸縮微型泵結構示意圖[3]。

2.3 GMM 在蠕動位移機械中的應用

所謂蠕動位移機械就是能夠進行連續(xù)的步行運動的控制機械，類似于蝴蝶幼蟲一樣能夠蠕動。這種機械的步距最小為 4nm，運動速度也是毫秒級的，目前主要運用于距離控制與機器人等方面。不僅如此，很多國外研究將其和壓電晶體結合，還設計出了諧振型的馬達，工作頻率高達 300Hz，而在我國，蠕動位移機械也已經(jīng)有了簡單結構的成品，相信在未來， GMM運用在蠕動位移機械中還能發(fā)揮更大的作用。

2.4 GMM 在新型電動機中應用

目前，對于應用GMM 的新型電動機主要成果包括直線電機、蠕動電機以及Recherche 馬達[1]。一種超磁致伸縮直線電機能夠達到較高的能量轉化率，且繼承了所有超磁致伸縮材料的優(yōu)點，擁有超快的響應速度，可使用的溫度范圍廣。不僅如此，這種電機還不容易發(fā)生疲勞退化等現(xiàn)象，對于能源供應的要求較低，適應很多類型的工作。

3 GMM在機械電子工程中的未來發(fā)展前景

前面說到，關于超磁致伸縮材料也就是 GMM 的研究已經(jīng)有很長一段時間，并且有關于其新型功能周邊機械電子工程應用的內(nèi)容也越來越多。因此，GMM 在機械電子工程中的應用研究逐漸成為了提高國家科技綜合競爭力和國際勢力的戰(zhàn)略性措施。由上文可知，GMM 有著高于傳統(tǒng)伸縮材料和壓電陶瓷環(huán)能材料的優(yōu)勢，是軍用、民用的高科技產(chǎn)品，具有非常大的價值和應用前景，且市場不斷擴大，市場需求不斷加強[5]。

超磁致伸縮材料在外磁場作用下長度和位移都會發(fā)生變化，因此具有一定的做功功能，而在交變磁場中，超磁致伸縮材料會發(fā)生反復伸縮，產(chǎn)生振動或者聲波，電磁能借助這樣的聲波和振動轉化成機械能或者聲能。相反地，也能通過振動或者聲波將機械能轉化為電磁能，以提高機械的轉化率， 完美運用在機械電子工程中[4]。迄今為止，全球已經(jīng)有 1 000 多種 GMM 相關器件產(chǎn)生，涉及的范圍有航空航天、國防軍事、電子生產(chǎn)等多個領域，這不僅有利于促進相關產(chǎn)業(yè)的提升， 更能提高國家的綜合實力。

最后，隨著科技的進步和人們生活水平的提升，人們對于 GMM 運用在機械電子工程中的要求也逐漸提高。相信在不久的未來，GMM 運用的領域會逐漸拓寬，其重要性也將逐漸突出。比如，我們可以將 GMM 運用在電子工業(yè)或者高精度自動控制行業(yè) ；在海洋工業(yè)對還留分布、海下地質、地貌進行探測 ；也可運用于石油以及航空航天業(yè)。

4 結 語

綜上所述，作為近年來運用在機械電子工程中的重要材料，超磁致伸縮材料的運用得到了廣泛的關注，因其高度耐熱的性能和磁致伸縮性能，再加上能量密度大、響應速度快等優(yōu)勢，值得我們進一步運用在多種領域中。相信在未來，我們還能夠加快對 GMM 的研究，將其運用在多種領域，發(fā)展我國科技綜合實力，創(chuàng)造更多的利益和財富。