智能材料(Intelligent material),是一種能感知環境刺激,能夠判斷並適當處理且本身可執行的新型功能材料。智能材料有時候叫智能結構,是由功能材料配合特定機構構成一個結構來完成感知、分析和執行的過程。稀土超磁致伸縮材料就是這樣一種材料,它既能在力的作用下產生磁場,又能在磁場作用下發生長度的變化從而使我們通過控制磁場讓其執行動作,常常被用來製作智能結構。
稀土超磁致伸縮材料由稀土元素鋱(元素符號Tb)、鏑(元素符號Dy)和過渡族元素鐵(元素符號Fe)等元素組成。它的主要特性是它的磁致伸縮性能。磁致伸縮,字面理解為磁場會導致其伸長和縮短。即該材料在磁場作用下,有著相對較大的磁致伸縮。因為這方面性能比之前有的磁致伸縮性能強得多,因此被稱為「超」磁致伸縮材料,也有時候叫「大」磁致伸縮材料,或者「巨」磁致伸縮材料。大多少呢?其磁致伸縮係數(即磁場作用下最大的相對變化量)是之前磁致伸縮材料的上百倍。這個「大」或者「超」或者「巨」,英文用的詞是「Giant」,意思是巨大。因含有超過一半的稀土含量,故被冠以「稀土」「 超」磁致伸縮材料。英文GMM,是英語Giant Magnetostrictive Material的縮寫。
稀土超磁致伸縮材料的工作原理示意圖如圖1所示。GMM棒材外部繞制線圈,通電後產生磁場,在磁場作用下棒即伸長,位移大小隨電流大小變化而變化。
圖1 磁致伸縮材料工作原理
如果我們給線圈供交流電,那麼,稀土超磁致伸縮材料(以下簡稱GMM)就會有一個隨電流變化的伸長和縮短,對外產生振動。如果這個交變電流是音樂信號,那材料的振動波就是一個音樂;如果這個振動信號變化頻率達到超聲頻率,那麼材料就產生超聲波。如果給GMM的電流信號是一個可控信號,那麼材料伸長的位置就會受電流大小的控制,也就可以做成一個執行器,或者叫做作動器,或者叫做致動器(注意,不是制動器)。
磁致伸縮的逆效應叫做壓磁效應,即在壓力作用下,GMM會產生磁場。利用這個效應,可以製作壓力傳感器,通過測量GMM產生磁場的大小計算出它所受到壓力的大小。