一、电致伸缩材料

电致伸缩是一种应力、应变与电场二次项相关的非线性现象，亦称电致伸缩效应。它所产生的形变与外电场的方向无关。电致伸缩效应在所有的电介质中都具有，不论是非压电晶体还是压电晶体。一些聚氨基甲酸乙酯类的高分子聚合物以及钙钛矿类陶瓷材料具有本类性质，这些材料可以通过施加电场而引起很大的变形。在工程中，这些材料是制作传感器、作动器的理想材料。

压电晶体常在小信号下应用，与压电效应相比，一般状况下，可以把很弱的电致伸缩效应忽略。然而，对于一些高介电性的压电材料以及温度略高于 Curie 点的铁电材料而言，电致伸缩效应较为明显。我们通常把具有明显的电致伸缩效应特性的材料称之为电致伸缩材料（ electrostrictive materials ）。电致伸缩材料是应变量与电场强度的平方成正比的一类功能材料。大多数的材料的电致伸缩率都很小，往往可以忽略不计。纳米钛酸钡／聚氨酯复合体电致伸缩材料作为一种智能功能材料，具有声阻抗低，机械柔韧性好，加工性能良好以及加工成本低等优点，由其制成的微位移驱动器适用于微米、纳米级分辨率的精密机械、医疗器械、人造器官以及微型水泵等领域。

在科学技术高速发展、材料科学日新月异的今天，各种高新智能材料在工程、控制领域等方面得到越来越广泛的应用。电致伸缩材料作为智能材料的一种，与现在研究很广的新型压电材料相比，它的应力与电场的平方成正比，介电常数与应变相关，因此，本构方程是非线性的。所以，这种电场二次效应使得电致伸缩材料在某些方面比线性材料更具有优越性：电致伸缩材料具有将电能和应变能互相转换的功能，它在传感器、换能器、调节器以及在机器人制造中都有重要的应用。例如电致伸缩材料可用于微机-电系统（MEMS）的传感与控制以及航空复合材料结构、桥梁、建筑、机械、隧道等结构的远程健康监测；利用电致伸缩材料还可以对燃气管道、各种工程结构及工业特殊承压设备实施安全监测；装有电致伸缩材料元件的仪器使得技术人员对天文望远镜的镜面进行精密微控制以调整焦距以及对远程手术器械的精确微位移控制等变为现实。电致伸缩换能器和超高精度电致伸缩驱动杆是由电致伸缩材料制成的智能器件。在要求低工作电压、大应变、微型化的驱动功能器件应用中，线性的压电材料由于最大应变小已很难适应实际要求，而电致伸缩材料具有体积小、应变大、结构紧凑、分辨率高、易于控制等优点，并且其应力场、电场与加载历史无关，在某些方面比压电材料具有更好的性能。由于以上的优点，电致伸缩材料微位移致动器适用范围较压电材料微致动器广得多。电致伸缩材料可应用于机器人的传感器、微致动器的制造，可应用于制造微米或弧微米级的微位移器和定位器，也可用来制造超精密的微动台和实时光学系统用的变形镜，还能应用于能量转换器、传感器的制造，如采用光纤传感器阵列和电致伸缩聚氨酯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测，损伤评估和寿命预测。因此电致伸缩材料将在各个领域获得广泛应用。

电致伸缩材料可以分为陶瓷电致伸缩材料和聚合物电致伸缩材料两种，驰豫铁电陶瓷电致伸缩材料的电致伸缩系数通常为l0^-6量级，在较低的驱动场强下．可以获得较人的形变量，因此对其材料特性的研究已获得广泛开展，其特性已为人所熟知。然而驰豫铁电陶瓷电致伸缩材料有其自身局限性。击穿场强为10MV／m，所以其工作场强不可能很高，其最大应变限制在10^-2量级，因此陶瓷电致伸缩材料的应变和驱动压力非常有限。而聚合物电机转换功能研究方面的进展表明热塑性聚合物弹性体，尤其是嵌段的聚氨酯弹性体，能够显示出很高的电场诱导应变响应，聚合物弹性体表现出很人的应变和驱动压力。特别是经电子束辐照的某些聚合物有很强的电致伸缩应变，其材料的电致伸缩系数通常为10^-18量级，因此需要较高的驱动场强，但其击穿场强可以超过1000MV／m，工作场强可达10MV／m。因此，在很高场强下聚合物电致伸缩材料最大应变可以达到很大，据报道最大应变可达30％，使电致伸缩材料适用性得到大大扩展。同时它们还具有低的声阻抗。较好的机械柔韧性，良好的加工性能以及较低的加工成本等优点。显然聚合物电致伸缩材料的电致伸缩性能优于压电陶瓷材料，且其机械性能和加工性能也优于压电陶瓷，适合制造人面积的控制刚微型致动器。因此聚合物电致伸缩材料及其应用研究是功能材料研究的热点。

基于电致伸缩材料的微致动器具有以下特性：①电致伸缩材料微致动器的显著特点是应变与驱动电压呈二次方非线性关系，同时其驱动力也是非线性的。②电致伸缩材料微致动器加载人的电场强度(≥lMV／m)时才能产生人的应力(≥10MPa)和应变(约为10^-3)，电致伸缩材料微致动器具有人驱动电场强度，大应力和大应变的特点。③电致伸缩材料微致动器具有高分辨率(校正分辨率可达0．001um)，分辨率可达0.02p,m，能满足以L／32的激光分辨当量。同时它还具有变形量大，受温度影响较小，价格低廉等优点。④响应速度快，电致伸缩材料微致动器的响应时间约为25us，无机械吻合间隙，可实现电压随动式位移控制⑤电致伸缩材料微致动器有较大的力输出，其弹性系数可达8kN／cm。⑥电致伸缩材料微致动器功耗低，比电磁马达式的微位移器低一个数量级，而且当物体保持一定位置时，器件几乎无功耗。⑦电致伸缩材料微致动器是一种同体器件，易与电源、测位传感器，微机等实现闭环自控，且比磁控合金和温控形状记忆合金筲其它微位移器的体积要小的多。⑧由于电致伸缩材料微致动器的动态曲线为抛物线状，如要实现线性变化需要采用偏压方式。⑨电致伸缩材料微致动器还具有较小的迟滞和蠕变的特点。

总之，电致伸缩材料微致动器具有人驱动力、大应变。响应速度快，功耗低，体积小，分辨率高等优点。

二、磁致伸缩材料

磁致伸缩现象（或效应）：铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）λ来描述，λ＝（m-n）／n，n为原来的长度，m为物质在外磁场作用下伸长（或缩短）后的长度。

磁致伸缩材料主要有三大类：即①是磁致伸缩的金属与合金，如镍和金煤（Ni）基合金（Ni， Ni－Co合金， Ni－Co－Cr合金）和铁基合金（如 F e— Ni合金， Fe－Al合金， Fe－Co－V合金等）；②是铁氧体磁致伸缩材料，如 N i－Co和 Ni－Co－Cu铁氧体材料等。前两种称为传统磁致伸缩材料，其λ值（在20—80ppm之间）过小，它们没有得到推广应用，后来人们发现了电致伸缩材料，如（ Pb， Zr，Ti）C03材料，（简称为 P ZT或称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约200-400ppm，它很快得到广泛应用；③近期发展了稀土金属间化合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材料。

稀土超磁致伸缩材料：以（ Tb，Dy）Fe2化合物为基体的合金 Tb0．3Dy0．7Fe1．95材料（Tb －Dy－Fe材料）的λ达到1500-2000ppm，比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料的λ大1-2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。例如以（ Tb，Dy）Fe2化合物为基体的合金Tbo0．3Dy0．7Fe1．95材料（下面简称 T b－Dy— Fe材料）的λ达到1500-2000ppm，比前两类材料的λ大1-2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。特点和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸缩材料是佼佼者，它具有下列优点：磁致伸缩应变λ比纯 N i大50倍，比PZT材料大5—25倍，比纯 N i和 Ni－Co合金高400-800倍，比PZT材料高14-30倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约l0mm的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力：能量转换效率（用机电耦合系数 K33表示）高达70％，而 Ni基合金仅有16％，PZT材料仅有40~60％；其弹性模量随磁场而变化，可调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。

由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移与信息）。转换成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转换功能材料。它在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。

海洋占地球面积的70％，海洋是人类生命的源泉，但是人类对海洋的大部分还缺乏了解。21世纪是海洋世纪，人类的生活、科学实验和资源的获及将逐渐的从山陆地转移到海洋。而舰艇水下移动通讯、海水温度、海流、海底地形地貌的探测就需要声纳系统。声纳是一个庞大的系统，它包括声发射系统，反射声的接收系统，将回声信息转变成电信息与图像，以及图像识别系统等。其中声发射系统中的水声发射换能器及其材料是关键技术之一。过去声纳的水声发射换能器主要用压电陶瓷材料（PZT）来制造。这种材料制造的水声换能器的频率高（20kHz以上），同时发射功率小，体积大，笨重。另外随舰艇隐身技术的发展，现代舰艇可吸收频率在3．0kHz以上的声波，起到隐身的作用。各工业发达国家都正在大力发展低频（频率为几十至2000赫兹），大功率（声源级约220dB）的声纳用或水声对抗用发射水声换能器，并已用于装备海军。低频可打破敌方舰艇的隐身技术，大功率可探测更远距离的目标，同时体积小，重量轻，可提高舰艇的作战能力。低频大功率是声纳用和水声对抗用发射水声换能器今后的发展方向。而制造低频大功率水声发射换能器的关键材料是稀土超磁致伸缩材料。发展稀土超磁致伸缩材料对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。日本已用稀土超磁致伸缩材料来制造海洋声学断层分析系统 O AT （Ocean Acoustic Topography）和海洋气候声学温度测量系统 A TOC （The Acoustic Thermometry of Ocean climate）的水声发射换能器，其信号可发射到1000km的范围，可用于测量海水温度和海流的分布图。

稀土超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景。例如用该材料可制造超大功率超声换能器。过去的超声换能器主要是用压电陶瓷（PZT）材料来制造。它仅能制造小功率（≤2．0kW）的超声波换能器，国外已用稀土超磁致伸缩材料来制造出超大功率（6—25kW）的超声波换能器。超大功率超声波技术可产生低功率超声技术所不能产生的新物理效应和新的用途，如它可使废旧轮胎脱硫再生，可使农作物大幅度增产，可加速化工过程的化学反应。有重大的经济、社会和环保效益；用该材料制造的电声换能器，可用于波动采油，可提高油井的产油量达20％~100％，可促进石油工业的发展；用该材料制造的薄型（平板型）喇叭，振动力大，音质好，高保真，可使楼板、墙体、桌面、玻璃窗振动和发音，可作水下音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。

此外，用该材料可制造反噪声与噪声控制，反振动与振动控制系统。将一个咖啡杯人力反噪声控制器安装在与引擎推进器相连接的部件内，使它与噪声传感器联接，可使运载工具的噪声降低到使旅客感到舒服的程度（≤20dB）以下。反振动与减振器应用到运载工具，如汽车等，可使汽车振动减少到令人舒服的程度。
    用稀土超磁致伸缩材料制造的微位移驱动器，可用于机器人、自动控制、超精密机械加工、红外线、电子束、激光束扫描控制、照相机快门、线性电机、智能机翼、燃油喷射系统、微型泵、阀门、传感器等等。
     近年来，各种高新技术迅猛发展，使得磁致伸缩液位传感器发生了很大变化。一方面是采用新材料、新工艺，以提高测量的精确度、可靠性和应用范围，进而实现传统传感器不可能完成的全新功能。