巨磁致伸缩材料作动器及其谐振频率研究

　　快速倾斜镜是光学系统中对光束实现快速微小角度偏转的微位移机构,其工作原理为在驱动元件的作用下,实现平面反射镜的小角度偏转。作为在目标和接收器之间控制光束方向的反射镜装置,在航空航天的光学、通讯、图像稳定、复合轴精密跟踪中具有重要应用前景。目前快速倾斜镜的驱动元件一般为压电器件或电磁元件,如压电作动器、音圈电机等^[1-6]。压电作动器体积小,结构紧凑,故谐振频率较高,但因压电材料本身的电致伸缩性能所限,其输出位移较小并且驱动电压高,如常用的压电陶瓷(PZT)材料,其电致伸缩应变为10^-4~6×10^-4,而压电作动器的驱动电压一般要几百伏的高电压;音圈电机的驱动原理是利用线圈电流和气隙磁场相互作用产生力使线圈作直线运动,输出位移大。相对压电陶瓷驱动的快速倾斜镜而言,采用音圈电机驱动有行程大、驱动电压要求低的优点,但其惯量大、谐振频率较低,输出力小。

　　为满足航空航天领域高功率、长距离光学传输系统对大倾角、高输出力和高共振频率的快速倾斜镜的要求,设计和研制新型驱动组元,是一项具有挑战性的研究课题。

　　巨磁致伸缩材料(Giant magnetostrictivematerial, GMM)具有应变大,响应速度快,机电耦合系数高,输出力大等特点^[7-9]。本文针对快速倾斜镜的应用背景,采用巨磁致伸缩材料作为驱动组元,研制适用于大倾斜角、高输出力和高共振频率快速倾斜镜用巨磁致伸缩材料作动器,并对其性能进行了测试分析。

　　1　巨磁致伸缩材料的制备及性能

　　1·1　制备方法

　　本实验室采用高纯(99·9%)Tb,Dy和Fe原料,配制目标成分为Tb0·3Dy0·7Fe1·95的母合金,在采用真空非自耗电弧炉熔炼中反复熔炼5次,并铸成合金棒,然后在超高温度梯度真空区熔设备上定向凝固,制成成品试样。对定向凝固后样品,进行900~1 100℃/2~10 h均匀化退火以提高合金棒的磁致伸缩性能。

　　采用日本理学D/Max22200PCCuKαX射线衍射仪,测定试样横截面X射线衍射谱,确定样品的晶体生长择优取向。在磁致伸缩自动测量系统上,采用标准电阻应变计方法,测量样品在500 mT磁场范围内,及0 MPa和10 MPa预压力条件下的磁致伸缩性能。

　　1·2　性能测试及分析

　　图1(a)所示为制备出的长80 mm,直径7·2 mm的Tb0·3Dy0·7Fe1·95棒实物照片。图1(b)所示曲线分别是生长速度为900 mm/h时制备的〈112〉取向Tb0·3Dy0·7Fe1·95样品偏上部和偏下部横截面X射线衍射谱。从图中可以明显看到,经定向凝固后样品在偏下部已经形成了较好的〈112〉择优取向,其他峰总强度和对〈422〉峰的相对强度约为40%。而偏上部的取向可以看出,〈112〉的择优取向程度进一步加强,其他峰强度总和对〈422〉峰的相对强度小于15%。因此可以认为在900 mm/h的生长速度下,通过定向凝固的方法成功制备了整体具有较好〈112〉择优取向的TbDyFe合金取向样品。