CN101093745B - 电和/或磁激励超大形变智能复合材料体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可产生形变的复合材料体，尤其涉及一种可由电、磁激励产生超大形变智能复合材料体，包括磁性体与基体，其中磁性体长度方向和宽度方向尺寸不同，基体内设置空穴，磁性体被包裹在空穴中，本复合材料体一定程度上可替代现有的磁致伸缩材料，它可以产生超大形变，而且具有既可电致伸缩又可磁致伸缩的特性，使伸缩材料体外观简捷，整体结构紧凑。

Description

电和/或磁激励超大形变智能复合材料体

技术领域

本发明涉及一种可产生形变的复合材料体，尤其涉及一种可由电、磁激励产生超大形变智能复合材料体。

背景技术

近些年来，电、磁致伸缩材料领域发展迅速，产生了如巨磁致伸缩材料、压电陶瓷以及磁致伸缩形状记忆合金等新型的可用于精密驱动器、传感器和直线电机研制的智能材料，这些材料具有能量密度大，输出功率高，伸缩形变精确等优点，但是这类材料普遍存在所能产生的应变量小，感应外界激励时所产生的感应信号弱，驱动激励过程复杂，驱动电压或电流高等缺陷，而且为增加伸缩效果往往需要预置应力、偏置磁场和电场等环节。由于这类材料材质脆而不宜加工和改型，制造时往往需要特殊的晶体生长、制造工艺和设备，另外它们不具备既可被电流又可被磁场或被电流、磁场同时激励的性能，因而限制了这类材料的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种可由电和/或磁或电磁复合激励产生超大形变自伸缩复合材料，其伸缩精度较高，该材料体不仅能产生形变和力，而且还具有感知形变和力的智能特性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：它包括磁性体与基体，磁性体长度方向和宽度方向尺寸不同，基体材料内设置空穴，基体为可恢复形变的高弹性材料体，磁性体被包裹在空穴中，磁性体在空穴内可沿外部施加的磁场方向偏转。

磁性体为永磁体或电磁体，磁性体和基体材料之间可以添加润滑材料，有利于磁性体与基体之间的相对运动；磁性体的周围也可以设置由导电材料制成的激励线圈，激励线圈外接激励源，磁性体与激励线圈被基体材料包裹和填充；基体中还可以填充导磁材料，有助于提高基体磁导率。

磁性体为可以为单个体或多个体的单排或多排阵列的永磁体或电磁体，单个磁性体的长宽比和尺寸大小可根据实际需求而相应改变，磁性体为方向异型的颗粒体(如橄榄型)，将磁性体内置于具有可恢复形变的高弹性的材料基体设置的各个空穴中，放置位置可根据实际需求而确定，磁性体在复合材料体内部的摆放一般是使磁性体磁化方向即长度方向与施加励磁场方向呈0-90°夹角，如90°夹角可产生最大应变量，45°夹角可配合励磁场的正反向加载产生伸缩往复形变。磁性体也可垂直排列，即两个磁性体的长度方向轴向垂直，从而可以使复合材料体在相互垂直的两个磁场激励下可以产生两维或多维伸缩，磁性体还可以为磁流变液或电流变液。根据磁性体的尺寸、摆放位置的不同，复合材料体可以制成薄膜型、线型和块体型，对于一个以上磁性体阵列在复合材料体中的摆放位置/角度的不同，内部线圈的位置也随之调整，以利于实现多维伸缩。可恢复形变的高弹性基体可以由非金属材料，如聚合物材料，人造、天然橡胶等(具有高弹性和高疲劳强度可实现高频、可恢复大形变)；或高弹性金属材料，如镍钛基合金等。导磁材料为导磁金属微粒、粉体，如软磁合金微粒、纳米金属粉体等，添加导磁材料可以事先在制备基体材料过程中均匀掺和或根据所需要的磁路非均匀掺和，加入导磁材料的目的是提高基体材料的磁导率，以提高励磁效率。

复合材料体也可以制成没有线圈只可以实现磁致伸缩的较简单模式，这有利于简化制造工艺，制成微小尺寸的复合材料体(微粒型，薄膜型，纤维型)。电磁线圈可以为一个或多个或与磁性体配对出现的小线圈，相应产生的磁场为单一磁场、分段磁场或局部磁场，线圈可以是一组或多组三相的交流线圈，通电时产生旋转磁场，从而激励线圈中所包含磁化体可以产生360°旋转，使复合材料体产生往复伸缩。螺线管可用导线缠绕而成的多匝、单匝线圈，用来产生电磁场，线圈相对基体有两种结构形式：其一，线圈为松散缠绕，线圈整体嵌人基体材料中，导线间填充有基体材料；其二，线圈为螺线管，伸缩基体套在螺线管中，根据需要再整体封装。激励线圈和/或感应线圈也可在整个智能复合材料体外包裹复合材料体。

激励源为电、磁(电磁或永磁)，复合材料体被激励形式为：1.外部电磁场或/和永磁场激励，复合材料体表现为磁致伸缩效应；2.内置线圈磁场激励，复合材料体表现为电致伸缩效应；3.磁场激励与电场激励共同作用。当施加磁场强度足够大且施加磁场方向与内置磁性体所产生的磁场方向不一致时，则磁性体受磁场力作用将向施加磁场方向发生偏转，此时可能产生两种效果：(1)如果复合材料体的某一部分面被固定，那么由于内置磁性体偏转使得与之接触的弹性基体受压迫而沿偏转磁性体长度方向产生形变，并且该形变将最终传递至复合材料体的自由端而表现为复合材料体整体形变；(2)如果复合材料体没有被固定，那么由于内置磁性体偏转将带动整个复合材料体旋转。

对于情况(1)，由于磁性体为方向异型，当复合材料体长度方向上的一端被固定，那么当内置磁性体偏转所产生形变将会传递至另一端，从而表现为复合材料体整体伸长或缩短。当施加磁场强度足够大，直至磁性体被偏转到其长度方向(通常与磁性体磁化方向相同)与外加磁场方向一致的位置上，此时基体在外加磁场方向上达到了最大形变量；当减小或撤消外加磁场强度或加入反向磁场，则磁性体在其基体恢复弹性力或外加磁场作用下，向恢复其原位置或形状的方向偏转，直至其长度方向恢复至原位，其间弹性基体在外加磁场方向上的形变逐渐减小直至复原。

对于情况(2)，由于整个复合材料体处于自由状态，那么复合材料体将随着其内置磁性体的偏转，而产生旋转、滚动、摆动、倾覆等整体移动效果。

在激励线圈内部可以设置感应线圈，当复合材料体受外力时，内部磁性体将产生偏转，该偏转可使其周围的感应线圈产生感应电流，该感应电流大小与所施加的外力作用下复合材料体所产生的形变有一定的对应关系，通过检测该感应电流的大小可以间接得到所施加外力或材料应变的大小，因此复合材料具备了检测外力和自身伸缩量大小的传感功能。与前述的伸缩驱动功能相结合，复合伸缩材料体具备了既可驱动又可传感的智能特性。

复合材料体伸缩量大小与磁性体的长度和宽度的比值成正比，与磁性体偏转角度以及外加激励的强度成比例，伸缩驱动时所能产生的力主要与外加磁场强度成正比，并且与基体、磁性体的材料和磁化性能以及基体中放置磁性体的个数、密度等配制条件有关，伸缩形变精度取决于基体的弹性力以及外加磁场和磁性体本身磁场复合作用下所实现的对磁性体的可控偏转精度，因而复合伸缩材料体所能产生伸缩应变能力可以根据用途而进行不同的设计和改变。

与现有技术相比，本复合材料体具有以下优点：

1.容易实现超大伸缩应变，大泊松比应变；

2.可以实现磁致伸缩应变，也可以或同时实现电致伸缩应变；

3.结构简单紧凑，设计灵活，制作工艺较简单，适合批量生产；

4.具有很好的延展和柔顺性，无脆裂缺陷，根据需要易对材料切割和分段；

5.应变时无需预应力加载(现有材料通常需要)；

6.无需预偏置磁场可实现高频和交、直流驱动伸缩应变；

7.磁性体的数量、排列方式、磁化方向以及形状都可以根据需要而改变或制造；

8.伸缩应力、应变大小和精度可以通过精确施加磁场或电流的强度来控制；

9.根据内部磁性体配置的不同，可以实现多维度伸缩；

10.实际应用时可直接串接或并接若干个块体以达到对不同应变或应力的需求。

本发明的复合材料体可用于研制具有能够产生大位移、高精度驱动功能的仪器和设备，以及对现有电、磁致伸缩驱动材料应用设备、仪器的改进，可广泛应用于驱动器(致动器)、制动器、传感器、电机、人造肌肉、振动及控制设备、机器人、精密制造、生物医学工程等领域。

附图说明

图1为复合材料体结构示意图；

图2为复合材料体在磁场激励下的伸缩示意图；

图3为平面薄膜型复合材料体示意图；

图4为线型复合材料体示意图。

具体实施方式

如图1示，本发明包括磁性体1与基体2，磁性体1长度方向和宽度方向有尺寸差异，基体2内设置空穴，磁性体1被包裹在空穴中。

磁性体1为永磁体或电磁体，加工成尺寸大小不同的橄榄型颗粒体。磁性体1和基体2之间添加润滑材料5，有利于磁性体1与基体2之间的相对运动；基体2中添加导磁材料4，有助于提高基体材料磁导率；磁性体1的周围设置由导电材料制成的单层或多层激励线圈3，激励线圈3与外激励源相连，磁性体1与激励线圈3被基体2包裹和填充。

如图1，将基体2伸缩方向上的一端固定，磁性体1的长度方向与磁化方向都位于竖直方向，对磁性体1施加一磁场E/H(E表示电磁场，H表示永磁场)，箭头方向为磁场方向，E/H的方向与磁化体1自身磁化方向的夹角为直角，由于电磁力的作用，磁性体1将发生偏转，当施加磁场强度足够大时，磁性体1长度方向将偏转至与E/H方向一致的位置。此时，磁性体1在励磁场方向上，产生了一个尺寸差异Δx＝l-w(l为磁化体长度，w为磁化体宽度)，该尺寸差异可等效为磁性体1受E/H激励而产生了在E/H方向上的一个形变或位移Δx，当磁场强度不变，则所产生的伸长量与伸长状态保持稳定；当磁场强度逐渐减小或再增加一个反向磁场，则磁性体1在基体2的弹性力作用或在反向磁场作用下向恢复初始位置方向偏转，直至外部磁场完全撤消，磁性体1恢复原位，则弹性基体2也随之恢复原形。

复合材料体具备既可以被电流激励产生电致伸缩效应，也可以被磁场激励产生磁致伸缩效应，还可以同时在电流和外部磁场共同作用下产生伸缩效应，并且复合材料体所产生伸缩的大小可以通过所加载的电流和励磁场强度来精确控制。复合材料体还可以为以下驱动模式：(1)三相旋转磁场励磁驱动磁化体旋转，产生往复伸缩驱动模式；(2)端面不固定的励磁滚动位移，或其它复合材料块体为非圆形时的，摆动或翻转移动模式。

在激励线圈3内部设置感应线圈，当复合伸缩材料体受外力时，其内部磁性体1将产生偏转，该偏转可使其周围的感应线圈产生感应电流，该感应电流大小与所施加的外力作用下复合伸缩材料体所产生的形变有一定的对应关系，通过检测该感应电流的大小可以间接得到所施加外力或材料应变的大小，因此复合材料具备了检测外力和自身伸缩量大小的传感功能。与前述的伸缩驱动功能相结合，复合伸缩材料体具备了既可驱动又可传感的智能特性。

本复合材料体一定程度上可替代现有的磁致伸缩材料，它可以产生超大形变，而且具有既可电致伸缩又可磁致伸缩的特性，这使得复合伸缩材料体的外加磁场可以产生非接触式激励的遥控伸缩效果，若为内置线圈驱动方式则不需要其它外部磁场发生装置，使伸缩材料体外观简捷，整体结构紧凑。

Claims (10)

1.一种电和/或磁激励超大形变智能复合材料体，包括磁性体与基体，其特征在于磁性体长度方向和宽度方向尺寸不同，基体内设置空穴，基体为可恢复形变的高弹性材料体，磁性体被包裹在空穴中，磁性体在空穴内可沿外部施加的磁场方向偏转。

2.根据权利要求1所述的电和/或磁激励超大形变智能复合材料体，其特征在于磁性体为永磁体或电磁体。

3.根据权利要求1或2所述的电和/或磁激励超大形变智能复合材料体，其特征在于磁性体与基体之间可以添加润滑材料。

4.根据权利要求1所述的电和/或磁激励超大形变智能复合材料体，其特征在于基体中可以添加导磁材料。

5.根据权利要求1或2所述的电和/或磁激励超大形变智能复合材料体，其特征在于磁性体的周围设置激励线圈和/或感应线圈，线圈放置位置为其轴向与希望复合材料体产生伸缩的方向一致，激励线圈和/或感应线圈包裹或嵌入在基体中，或在整个智能复合材料体外包裹复合材料体。

6.根据权利要求1或2所述的电和/或磁激励超大形变智能复合材料体，其特征在于磁性体为单个磁性体，或多个磁性体阵列，或多层磁性体阵列。

7.根据权利要求6所述的电和/或磁激励超大形变智能复合材料体，其特征在于磁性体放置位置为其长度方向与复合材料体希望伸长方向呈0-90°夹角，并且磁性体在其长度方向上相互平行排列。

8.根据权利要求1所述的电和/或磁激励超大形变智能复合材料体，其特征在于复合材料体制成块体、线体或薄膜型体，多个复合材料体直接串接或并接在一起。

9.根据权利要求5所述的电和/或磁激励超大形变智能复合材料体，其特征在于基体材料中包含两个磁性体，两个磁性体的长度方向垂直排列；每个磁性体对应的激励线圈轴向垂直排列。

10.根据权利要求5所述的电和/或磁激励超大形变智能复合材料体，其特征在于激励线圈是一组交流或直流线圈；或者激励线圈是多组交流线圈；或者激励线圈是多组直流线圈；或者是三相的交流线圈通电时产生旋转磁场。

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