移动和力的控制是机械工程的基本要素之一。新材料的开发使利用 特殊功能材料(亦称致动材料)产生移动和力成为可能。现有致动材料 的最重要类别有：压电陶瓷类、磁致伸缩金属间化合物类及形状记忆合 金类。当一电场施加于压电陶瓷上，它可产生应变。这类材料的频率响 应是很快的，但应变幅度却很小，这就限制了它的应用。磁致伸缩材料 在磁场作用下亦可产生应变。某些高磁致伸缩金属间化合物(如 Terfenol-D，Et rema Products，Inc.，Ames，IA，U.S.A)产生的 应变可达0.17％，这比现有压电陶瓷材料产生的应变高一个数量级。 与压电陶瓷材料相比，磁致伸缩金属间化合物的频率响应要略低些。
形状记忆金属是这样一类材料：即已在某一温度产生塑性变形的金 属，当温度升至合金特性转变温度以上时，它可回复其原有未变形状 态。这类材料在经受机械负载或温度作用时其晶体结构转变成马氏体 相。当机械变形后的形状记忆材料加热后，会回复到其原有形状，这一 过程称为单向形状记忆效应。随后在冷却过程中将不会反向产生形状变 化。单向形状记忆效应应用于紧固、密闭和预压装置中，应变可回复到 百分之几，可得到超过900MPa的回复应力。而在双向效应中，材料无 需变形，即可“回忆”起在加热或冷却到合金特性温度后所获得的两种 形态。这两种形态的温度差可小至1-2K。具有双向形状记忆效应的 材料可用于致动器中产生力和位移。致动器多用于机械，自动操纵(机 器人)和生物医学工程中。应用最为广泛的形状记忆材料为Ni-Ti和 Cu基合金。形状记忆致动器的缺点为反应缓慢，这是由于热控(尤其是 在冷却时)和低效率(能量转换)，在许多合金中其效率仅约为1％。
为产生形状记忆效应，材料应具有孪晶亚结构。形状记忆材料的形 状变化是基于在外应力的作用下孪晶结构的再取向。图1示出了孪晶再 取向二维示意图。图1(a)示出两个孪晶变体，分别标为1和2。在 无外应力条件下其尺寸相同。图1(b)为施加应力状态，此时孪晶界 面产生移动，变体2扩大，而变体1缩小，产生的形状与外加应力相适 应。孪晶界面移动的结果是使一种孪晶变体转变为另一变体，而与外应 力取向较为一致的变体便会长大。最后如图1(c)所示，在足够的应 变量下便产生马氏体单一变体。在马氏体相中，变体是在几个结晶方向 中取向。因此，由于孪晶结构的再取向便产生了材料的复合形状变化， 最终得到全部形状的回复。结晶学分析表明：马氏体板块间的界面行为 与孪晶界面相同，即：单个的马氏体板块相对其邻近板块而言也是孪 晶。这样，“孪晶界面”一词通常是指马氏体板块间的界面，但也可指 板块内的界面(这一定义同样也与随后讨论的磁控孪晶界面有关)。在 一些材料中，施加应力可感生马氏体相，其孪晶超结构是按应力而择优 取向的。
孪晶结构的再取向在合适的材料中可产生百分之几的可回复应变 (例如，在Ni-Ti形状记忆合金中接近10％)。在一些合金中，孪 晶结构再取向所需要的应力是很低的。图2示出了所选的一些形状合金 材料的应力-应变曲线。由图可见，在大部分合金中，在20-50MPa 的应力下，便可得到4％的应变。1-30MPa的低应力也可产生1％ 的应变。为产生由孪晶变体再取向造成的1％的应变所需的应变能密 度，为图2中应力一应变曲线、应变轴和垂直于该轴的垂线所包括的面 积。In-Tl、Ni-Mn-Ga(铁磁体Ni2MnGa)、Cu-Zn-Sn和Cu-Zn合金的应变能密度分别为104、8.5×104、1.1×105及 2.3×105J/m3。
下面我们引入磁各向异性能，因为在本发明中它起重要作用。在铁 磁晶体中，磁晶各向异性能是一种能使磁化沿某一固定晶轴(称为易磁 化方向)进行的能。图3示出了具有六方晶体结构的单晶钴的磁化曲线， 其易磁化方向为晶胞的平行轴。如图3所示，在此方向在低磁场下便可 达到饱和。而在试样基面中达到饱和则困难得多，饱和磁场要超过8000 Oe。基面方向称为难磁化方向。对应于不同方向磁化过程的磁各向异性 能密度，为这些方向磁化曲线之间的面积。钴在难磁化方向为使试样饱 和所需的能量密度约为50×105J/m3(图3磁化曲线间的面积)。铁 和钴基合金难磁化方向各向异性能密度在105-107J/m3范围内。在 低温时，4f金属具有最高各向异性能密度(K1值)，约为108J/m3。 在Co5Nd、Fe14Nd2B和Sm2Co17这些金属间化合物中，室温下的 各向异性能分别为1.5×107、5×107和3.2×106J/m3。
发明简述
本发明涉及到能产生移动和力的磁驱动致动器的工作原理。其工作 是根据致动材料孪晶结构在磁场控制下的再取向而进行的。这些致动材 料能产生几个百分点的应变(其值与形状记忆材料值同)。由于新型致 动材料为磁控，故反应时间更快.控制更精密且效率较其它形状记忆材 料更好。这一新型磁驱动致动器将在机械工程中显示出巨大潜力。在许 多应用场合，它将会替代液压、气动和电磁驱动。与常用技术相比采用 这类致动器会使结构更简化、更轻巧和更可靠。由于孪晶再取向是在三 维空间进行的，故在磁控条件下会得到复合的形状变化。由于能在远距 离对致动器提供能源和进行控制，本发明的应用将会进一步扩展。这一 能够产生可控的移动或要求的形状变化(例如弯曲、扭转、夹紧、紧固 和泵油)的装置，可能是一小块已适当成型和预取向的材料。由于在许 多材料中孪晶尺寸极小，本发明会在微米和毫微米技术中具有巨大潜 力。
附图简述
图1(a)至1(c)给出如上所述的马氏体材料中形状变化示意 图(二维的)，即在应力作用下孪晶变体的转化。
图2示出单晶合金In-Tl、Cu-Zn-Sn及一种Ni-Mn-Ga郝斯勒合金(Ni2MnGa)和多晶Cu-Zn形状记忆合金在孪晶结构再 取向时的应力一应变(拉伸)曲线。
图3示出单晶钴的磁化曲线。
图4示出本发明的原理，即在外加磁场作用下孪晶变体的转化。
图4(a)给出无外加磁场时的初始状态。
图4(b)示出施加外磁场后孪晶变体的转化。
图5(a)至5(c)示出孪晶材料的磁场感生形状变化原理，它 导致材料产生形状变化，即：致动器的移动和力，
图5(a)表明无外加磁场时的初始状态。
图5(b)示出外加磁场H1作用于材料的阶段。
图5(c)示出磁场作用下孪晶全部再取向后的最终阶段。
图6示出研究磁场作用下孪晶再取向的实验装置。
本发明的详细说明
本发明为在材料中产生形状变化、移动和/或力的一种新方法，其 基于在外加磁场作用下孪晶的再取向。
在下面几页中对本发明作出说明，即解释本发明的有关特点，给出 了描述发明背景的一些图示，以便理解本发明。有关说明全部示于图2 -6中。
图4给出应用磁场使孪晶再取向原理的二维示意图。在晶体铁磁材 料中，无外加磁场时磁化矢量是沿易磁化方向排列。图4(a)示出了 两个孪晶变体的这一状态。易磁化方向平行于各变体单位晶胞的边。必 须强调指出：易磁化方向并非必须平行于单位晶胞的边，它也可能是材 料其它结晶方向。
当对一晶体铁磁体施加外磁场时，磁化矢量将会从单位晶胞的易磁 化方向转向外加磁场方向。若磁晶各向异性能(Uk)很高，则要求使磁 化矢量自易磁化方向转向的磁场强度也高。图3给出了六方晶体钴的这 一特性。如果与磁晶各向异性能Uk相比孪晶变体的转化能量(孪晶界移 动能)很低，则外加磁场会使孪晶变体转化，而且磁化仍保留在已转化 之单位晶胞的初始易磁化方向。图4b示出在外加磁场作用下，一个变 体的单位晶胞转变成另一个变体的单应晶胞。结果如图5所示，使相对 于外磁场有利取向的孪晶长大，其它孪晶则消失。
图5(a)示出无外磁场时具有相同尺寸的孪晶变体的初始状态。 每一变体中磁化平行于单位晶胞的一个边排列。图中只示出部分磁化矢 量。在该图中并假设孪晶只由单一铁磁畴组成(最新横向电磁波研究发 现，在某些铁磁马氏体中如Fe-Pt，孪晶是由两个磁畴组成，其畴壁 越过了孪晶)。
图5(b)示出在单位晶胞之易磁化方向与外加磁场方向不同时是 如何转变成沿磁场方向排列，从而导致有利取向的孪晶变体长大，而其 它消失。最后如图5(c)所示，只保留一种孪晶变体。
上述孪晶结构的再取向造成了材料的形状变化，使应用此材料制成 的致动器在磁场控制下产生移动和力。由于孪晶结构的再取向是在三维 方向发生的，所以还可能产生复合形状变化。通过消除磁场或使磁场转 向都会恢复致动器材料的原始尺寸。外加磁场对马氏体单位晶胞取向的 作用会产生马氏体-马氏体和奥氏体-马氏体界面的定向移动，这在致 动器中也可利用。此时择优取向马氏体生长而母相消失。生长过程是可 逆的。
磁场控制的孪晶变体再取向在有些材料中可望产生几个百分点的 可回复应变(与形状记忆合金中应力感生可回复应变相似)。为了得到 一定的磁感生应变，必须使材料的磁晶各向异性能Uk大于或相当于为获 得此应变的孪晶变体再取向所需的能量。后一能量定义为孪晶结构再取 向能(Etw)，它包括了与材料形状变化有关的应变和耗散能。在致动 器应用中Uk必须大于Etw与致动器功的总和。功这一项可为正或负。 若功为负，外应力会有助于孪晶结构再取向并减少所需磁场能量。为使 致动器能工作，必须使控制它的磁场能大于Etw与致动器功的总和。Uk 愈高，则可转换成致动器之机械功的磁场能愈大，从而得到较大的力。
下面将对不同材料的各向异性能和再取向能Etw进行比较。如图2 所示，在所选的马氏体形状记忆合金中，为产生1％应变的能量密度Etw 介于104到2.3×105J/m3之间。另一方面，有些材料的磁晶各向异 性能密度为105-108J/m3。一些例子上面已给出(CO-、Fe-及稀土 基合金)。有些材料的各向异性能密度甚至要比孪晶结构再取向能密度 Etw高出四个数量级，例如在In-Tl中。这种在Uk和Etw能间的巨 大差别表明：在开发同时具有高各向异性能和低Etw的适宜材料方面， 前影非常广阔。
在有关铁磁马氏体中，施加应力时孪晶界面很容易产生滑移。在图 2中示出，铁磁马氏体Ni2MnGa(单晶)，应力低至10到20MPa时， 会在[100]方向产生孪晶变体的再取向，并产生4％的可回复应变。根 据图2为获得此合金由磁场感生孪晶变体再取向造成的1％应变，各向 异性能应大于孪晶变体再取向能Etw(8.5×104J/m3)。这一值是 很低的，因此，在这一材料中，磁感生应变是可能得到的。在许多目前 常用的铁磁形状记忆合金和其它具有孪晶结构的铁基合金中，用于排列 孪晶的应力是更高的，甚至要高于100MPa。实验已经证明，以类合金 的磁晶各向异性能值也很高，足使孪晶结构再取向产生磁场感生应变。 例如，在一为使孪晶结构再取向以产生1％应变而需100MPa应力的材 料中，Etw经计算为5×105J/m3(假设应力应变为线性增加的关 系)。为了用磁场感生孪晶结构再取向以产生同样应变，各向异性能应 大于或等于5×105J/m3。此各向异性能值与钴的值相同，且可在许 多Fe-和Co-基合金中达到。
第三个例子。假定在某些材料中，通过孪晶结构再取向产生1％应 变所需的应力很高，可达500MPa，则用磁场产生相同应变时，需要2.5 ×106J/m3各向异性能密度。这一各向异性能值在一些适宜的合金中 是可以得到的，因为室温时的最高各向异性能甚至会高出20倍。必需 强调，在计算磁晶各向异性能的讨论中，只能采用从某些材料中得到的 估算值，因为不能用饱和磁化测量(见图3)来测算具有低Etw值孪晶 材料的各向异能能值。这是由于在外加磁场下，磁化不能转到单位晶胞 的难磁化方向上，而孪晶变体的转向(与磁化矢量同时转向)，在较低 磁场水平时，便可达到饱和。磁化测量本应在单个变体试样上测量，但 是这在许多情况下是不可能进行的。
开发工作集中在探索具有高磁晶各向异性能和低Etw值的铁磁材 料方面。最好的材料应同时具有如稀土金属一样的高各向异性能及适宜 孪晶相的高滑移性界面。具有密排六方或立方马氏体点阵的Co-和Fe-基形状记忆材料是大有前途的，它们正处于开发阶段。间隙原子(特 别是氮)会有重大作用，因为它们经常使各向异性能提高以及强化合金 的力学性能，这对孪晶化变形有利，而且可阻止永久滑移。郝斯勒合金 (例如Ni2MnGa型)为磁控致动材料中一组有意义的材料，其中锰对 铁磁性能影响最大。
在许多材料中，孪晶界面的速度极大，仅为声速的几分之一。这表 明在适宜的致动材料中磁场感生冲程速度是很快的，致动器能在极高频 率下工作。
实施例
在Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Ni-C和Fe-Mn-C基合金中， 对磁场感生孪晶结构再取向进行了实验研究。这些材料均为铁磁性，而 且都有孪晶微观结构。测量了各向异性能，其值均属典型，对Fe-Ni-Co-Ti合金约为5×105J/m3，而对Fe-Ni-C合金则为2× 105J/m3。为了产生基于孪晶结构再取向的磁场感生应变，希望这些 数值要足够高。下面介绍本研究所用的实验装置和测量试样。 实验装置
图6示出了用于研究应力和磁场对孪晶结构影响的装置原理。这一 装置能对试样施加轴向和扭转应力，并测出相应应变。试样固定在同轴 的支撑管1和2上。管1是固定的，而管2用于使试样产生应变。线圈 7绕在试样室上，以便对试样施加磁场。在交变磁场下，在低频时测量 了磁感生应变的频率响应。在较高频率时，在试样上装一应变计以测量 频响，在这些实验中，将管2除掉。在作弯曲试样实验时，也用这一装 置，在弯曲试样两面均装有应变计。在静态和交变磁场中，测量了磁场 感生应变的变化。
如图6所示，在试样支撑器上同时也制作了几个测量电阻和磁化率 的附件，即测电阻用的四点接触3和测磁化率的线圈5。试样室浸入液 氮或液氦中，应用加热器4可将温度控制在4到600K范围间。
同时也用本装置研究了因孪晶界面和马氏体分界面移动所造成的 耗散。通过电阻和磁化率的测量，定出了马氏体量。同时用穆斯堡尔波 谱法测量了马氏体的相份数。对本研究而言，穆斯保尔波谱法要比X- 射线光谱学法更为适宜，因为穆斯堡尔测量对试样织构不敏感。 实施例1
对试样进行交变扭转变形，并测量了振动阻尼容量。这些实验揭示 出孪晶界面(以及奥氏体与孪晶马氏体的分界面)具有很高的滑移性。 测量是在应变幅为10-5-10-3时进行的。 实施例2
对弯曲试样测量了磁感生应变。开始时，用机械方法弯曲马氏体试 样。在这一变形过程中，试亲样一面伸长了，而另一面缩短了，结果在 试样两面的孪晶结构取向便不同，从而导致孪晶变体的尺寸之同，以适 应压缩和拉伸应力。可以确定，试样两面的马氏体量是一样的。当磁场 加在弯曲试样上时，便产生了磁场感生应变，而且在试样两面它们的方 向相反。在最初由机械应力延伸了的一面，磁场感生了收缩。而在另一 面，磁场感生了延伸。例如，当上1kOe磁场加在稍有弯曲的1mm厚孪 晶马氏体Fe-Ni-C试样上时，两面的应变差为2.2×10-5。这一 值要大于这种材料的磁致伸缩。不能用磁致伸缩来解释这一效应，因为 它不能在试样两面产生方向相反的应变，另外，也因为其应变值太小。
还可用扭转产生初始机械变形。扭转变形导致了孪晶结构的一种特 殊再取向。当磁场加到这一结构上时，便产生了扭转应变。
在弯曲和扭转试样上看到的磁感生应变，可归因于孪晶结构的再取 向或生成择优取向马氏体的生长。然而，本试验是在马氏体温度Md以 上进行的。在Md以上的温度，从热力学角度看，不可能形成马氏体。 这证明了观察到的应变是由磁控孪晶结构的再取向引起的。
弯曲和扭转试验也表明：用外加磁场可产生复杂的形状变化。 实施例3
在磁场平行和垂直于试样面条件下，测得了马氏体好X射线衍射 图。单个布喇格峰的强度与在衍射条件下孪晶变体的份数相关。测量给 出了峰强度的变化，它可归因于磁感生马氏体孪晶的再取向。在那些仅 在马氏体板块内部有孪晶的合金中，也看到了峰强度的变化。而这些合 金的马氏体板块外部，是由位错格和位错结构成。因此，在这些合金中， 马氏体和奥氏体相分界面是不可移动的，故对看到的现象不能用磁场感 生的具有择优取向孪晶变体的马氏体板块生长来解释。 工业应用性
在本发明基础上制得的新型致动器，展示了它在技术上和商业上都 有很大潜力。还没有其它利用材料性能产生移动和力的方法能象本发明 的新型致动器一样，开发出同时具有高应变、力、速度和精密度这种综 合性能。潜在应用包括：注油器、高压泵、有源振动控制的致动器、有 源弹簧、启阀器和控阀器、机械人、精密刀具和线性马达。致动器还可 与传感和控制特性结合。在现代机械设计中，自适应、有源式和灵敏结 构系统已经普遍。传感机器的真时工作参数并以可控方式反应环境和内 部变化，就可能获得最佳工作状态，最小能耗，延长结构寿命以及降低 维修成本。自适应装置已在航天、汽车、船舶和民用工程、精密机械等 方面广为应用。致动器应用最广泛的是汽压、液压系统，电磁传动装置， 而致动材料则有压电、磁致伸缩金属间化合物和形状记忆合金。因为缺 少高速及大冲程的致动材料，因此严重阻碍了自适应装置的进展。根据 本发明原理制作的新型材料会使自适应装置制作技术和现代工程得到 进一步发展。
由于孪晶结构的再取向是在三维方向形成，因而磁场使试样产生包 括拉伸、弯曲、和扭转在一起的复合形变。从而使本发明在许多工程和 机械领域的应用大为扩展。而只利用磁致伸缩的磁驱动致动器则不具备 这些性能。用磁场产生的可控移动和确定形状变化的致动器(机)有可 能是一块合适形状并经预取向的材料。通过对形状和初始孪晶的恰当设 计，在磁场强度循环变化时，致动器可重复其复合形状变化。磁场方向 的改变可变更致动器移动路线。
本发明的方法可遥控致动器的动作。遥控可应用于生物医学中，如 医疗器械、人造器官(如心脏)。用一个共用磁场控制，可同时操作多 个致动器。即使对所有的致动器用同一磁场，根据材料中初始孪晶结构 的不同，仍可使它们的动作各不相同。
因为在薄膜、细丝和颗粒中也可控制孪晶结构，故用本发明制成的 制动器可应用于微米、毫微米技术中。致动器甚至可作用单个孪晶尺 寸，例如毫微米致动器就可利用量子隧道流进行定位传感。
本发明为一用电能产生移动、加和形状变化的新方法。用本方法制 成的致动器很有应用潜力。它是继马达和各种电磁装置之后，应用最广 的电驱动装置。在许多工程领域中，由于这一新型制动器性能好，可靠 性高，价格低廉，因此有望代替现用电装置。然而本发明的最大潜力还 是开发那些只有采用本发明才能获得成功的新用途。