磁致伸缩材料的设计和应用

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除磁致伸缩材料的设计和应用A.G Olabi A Grunwald(都柏林城市大学 机械制造自动化学院)摘要：磁致伸缩效应是指材料在外加磁场条件下的变形。磁畴的旋转被认为是磁致伸缩效应改变长度的原因。磁畴旋转以及重新定位导致了材料结构的内部应变。结构内的应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于正向磁致伸缩效应）。在此伸展过程中，总体积基本保持不变，材料横截面积减小。总体积的改变很小，在正常运行条件下可以被忽略。增强磁场可以使越来越多的磁畴在磁场方向更为强烈和准确的重新定位。所有磁畴都沿磁场方向排列整齐即达到饱和状态。本文将展示磁致伸缩效应的研究方法现状和其应用，诸如：大型作动器响应、标准Terfenol-D 作动器、基于Terfenol-D的直线马达（蜗杆驱动）、用于声纳换能器的Terfenol-D、用于无线旋转马达的Terfenol-D、基于Terfenol-D的电动液压作动器、无线型直线微型马达、磁致伸缩薄膜的应用、基于磁致伸缩效应的无接触扭矩传感器和其他应用。研究表明，磁致伸缩材料具有许多优良的特性，从而可以被用于许多先进设备。关键词：磁致伸缩效应；作动器；传感器；Terfenol-D【精品文档】第 16 页1. 前言磁致伸缩效应是指材料在外加磁场条件下的变形。磁致伸缩效应于19世纪（1842年）被英国物理学家詹姆斯.焦耳发现。他观察到，一类铁磁类材料，如：铁，在磁场中会改变长度。焦耳事实上观察到的是具有负向磁致伸缩效应的材料，但从那时起，具有正向磁致伸缩效应的材料也被发现了。对于两类材料来说，磁致伸缩现象的原因是相似的。小磁畴的旋转被认为是磁致伸缩效应改变长度的原因。磁畴旋转以及重新定位导致了材料结构的内部应变。结构内的应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于正向磁致伸缩效应）。在此伸展过程中，总体积基本保持不变，材料横截面积减小。总体积的改变很小，在正常运行条件下可以被忽略。增强磁场可以使越来越多的磁畴在磁场方向更为强烈和准确的重新定位。所有磁畴都沿磁场方向排列整齐即达到饱和状态。图1中即为长度随磁场强度变化的理想化。磁畴的重新定位的物理背景在于简要、纲要性的描述图2。在0和1区间之间，提供的磁场很小，磁畴几乎不体现其定位模式。由材料如何形成所决定的内容或许是其通常的定位形式的一小部分，显出其永久性的偏磁性。其导致的应变与磁致伸缩材料的基本结构和材料化学成分均匀性有很大联系。在1-2区间，我们设想，应变与磁场之间存在几乎趋于线性的关系。因为关系简单，容易预测材料的性能，所以，大部分设备被设计工作于这个区间。曲线超过点2后，应变与磁场关系又变为非线性，这是由于大部分磁畴已经按照磁场的方向排列整齐。在点3，出现饱和现象，阻止了应变的进一步增加。另一个基于预应力和偏磁的现象可以用优化理论进行解释。磁致伸缩材料的性能在不同的应用中非常复杂，因为在运行过程中改变环境将改变材料的特性。对于复杂性的全面了解将有助于工程师开发出磁致伸缩材料的潜在优点并由此优化基于巨磁致伸缩效应材料的作动器。图3所示是长度在外加磁场作用下改变的理想化关系。当磁场反向施加，现象理应相反，即材料负向应变，但负向场产生了如同正向场的伸长磁致伸缩效应。曲线形状让人想起蝴蝶，所以，这条曲线又被叫做“蝴蝶曲线”。2. 磁致伸缩效应铁磁类材料的晶体在磁场中会发生变形。这种现象被叫做磁致伸缩效应。其与多种物理现象相关联。通常来说，磁致伸缩效应是机械能与电磁能之间的一种可逆能量转化。磁致伸缩材料因为其能够将能量从一种形式转化为另一种形式，从而在作动器和传感器中获得了应用。图4所示即为与磁致伸缩效应相关的各种物理效应之间的关系。与磁致伸缩效应相关的最为人们所知的效应就是焦耳效应。即铁磁棒在纵向磁场中体积扩张（由于正向磁致伸缩效应），或者缩小（由于负向磁致伸缩效应）。这种效应被广泛应用于磁致伸缩作动器中。磁致伸缩是一种可逆的材料特性。在磁场较弱的区域，试件形状即恢复至其原始尺寸。Terfenol-D材料的比例在1500ppm范围之上，在共振频率下，可以达到4000ppm之上。长度的增加（纵向应变）或直径的缩小（周向应变）大致与应用的磁场成比例，这种作动器机理可以被用于多种用途的。另一种广泛应用的磁致伸缩效应被称为维拉利效应。这种效应基于这样的现象，当外力施加于试件，穿过试件磁通密度由于磁场的产生而发生改变。磁通密度的改变量可以被拾波线圈所检测，同时还与所加外力的大小相关。维拉利效应是可逆的，并被应用于传感器。E效应也是一种磁致伸缩效应。由于磁场的存在，试件弹性模量发生了改变。Terfenol-D材料的比例大于5，因此被用于振动控制以及宽带声纳系统。由于弹性模量改变，磁致伸缩材料内部的声速发生了改变，而这种改变可以被检测到。魏德曼效应也是一种相关的效应。这种现象的背景与焦耳效应相似。只是，在磁场作用下，铁磁试件扭转位移所带来的切应变，代替了拉压应力-正应变的形式。魏德曼效应的逆效应被称为马陶西效应。在线圈中通入交流电，产生纵向磁场，这也反过来在试件中产生磁通密度。已有的交变磁通可以被另一个线圈所探测，拾波线圈可以测量磁通密度的变化率。扭转铁磁试件导致了试件的磁性变化，从而导致了磁通密度变化率的改变。通过拾波线圈测试磁性改变，可以估测切应力的改变，进一步可以计算外加扭矩的大小。马陶西效应在铁磁性试件引入永磁偏置后得以完善，这一效应被用于传感器。一个额外的磁致伸缩效应是巴瑞特效应。在特定的极端运行条件下，材料体积会随磁场而改变。例如，镍在80Ka/m的体积改变率只有。由于磁场而变化的体积太过微小，以至于在通常工作状态下，可以被忽略。巴瑞特效应的逆效应被叫做长冈-本田效应，由于静压力而导致的试件体积变化，改变了磁场的状况。两个最为常用的磁致伸缩效应是焦耳效应和维拉利效应。他们可以由以下几个方程进行分析。首先是维拉利效应：（1）方程（1）中，B表示磁感应强度，d表示磁致伸缩常数，表示应力改变， 表示在恒定应力作用下的导磁系数。焦耳效应可以用相似形式的方程表示：（2）方程(2)中，S表示机械应变，表示在恒定场强H下的柔度系数，是在恒定应力下的磁致伸缩常数。磁场强度H，可以如下计算H=IN（3）I表示电流A，N为线圈匝数。由于典型的棒状试件轴向通常与磁场方向一致，因此，只有轴向的特性才被考虑。所以，d, ,c可以被当做标量简化。在磁致伸缩效应的运行、应用过程中，以上参数并不保持恒定。关于这部分的内容将在下一章节中进行讨论。表1呈现出了一组不同材料的一些特性，以及它们经常被使用的地方。提供了一组关于传感器和作动器主流材料的比对。表1典型特征PZTTerfenol-DSMA激励原理压电材料磁致伸缩材料记忆合金延伸率0.1%0.2%5%能量密度J/2.5k20J1J频带宽度100kHz10kHz0.5kHz磁滞10%2%30%价位/200$400$200$类似的技术概述在以下几篇文献中有所归纳。这些不同技术的分类可以被用于选择最优技术。其他的材料特性（只与Terfenol-D相关）在接下来的篇章中被归纳整理。这些特征只能进行粗略的比较，因为每项应用的特性都是不同的。这些关于Terfenol-D产品特性的表格只在起点处有效，因为制造过程对于这些性能的准确性有着重大影响。同样，预应力大小和偏磁程度也对产品特性有着重大影响。3. 巨磁致伸缩材料及特性巨磁致伸缩材料的发展（GMM）始于上世纪60年代，由A.E.Clark和其他研究者牵头。最好的结果是得到一种在商业上可以利用的合金，其在相对低磁场下产生大的磁应变，并能在比较宽的一个温度范围内工作。Terfenol是一种稀土铁合金。合金的方程式被称为Terfenol-D，“Ter”来自铽元素，“Fe”是铁的化学符号，“NOL”为海军军械实验室，“D”来自镝。（Ter+fe+nol+D）。Terfenol-D于上世纪70年代由海军军械实验室科学家A.E.Clark领导小组研发而来。Terfenol-D最早的一个用途是高性能声呐换能器。Terfenol-D能够在磁场强度为50-200kA/m条件下比大多数材料多产生1000-2000ppm磁应变，在材料机械共振频率和强磁场下更高达4000ppm。（4）（5）在Terfenol-D棒的典型应用中，ppm的概念被理解为试件长度该变量与106的乘积。图5所示为对于给定长度的Terfenol-D材料，所有的长度变化范围。使用Terfenol-D膨胀性质的设备通常被设计为使用机械零偏和电磁偏置，从而在材料特性曲线线性部分起点获得零点。 当磁场被建立，材料特性将在曲线的线性部分变化，从而确保响应是可预测的以及成比例的，这一区段，响应可达2000ppm。磁致伸缩应变的最大用处是在磁致伸缩作动器的应用中，确定机械输出的关键参数。与其他磁致伸缩材料相比，Terfenol-D在较高应变和较高居里温度两者之间做出了比较恰当的权衡。磁致伸缩效应只在材料居里温度以下发生，但通常居里温度都在室温以下，这就导致了磁致伸缩效应没有多少实用的价值。表格3对比了不同磁致伸缩材料的几种典型应变。由于材料的其他应用特性（磁滞、线性度等）也非常重要。其他的一些Terfenol-D的常用性质以及用于超磁致伸缩作动器设计的性质也被归纳于表3当中。表3Terfenol-D性质取值范围备注主要成分TbxD1-xFey0.27x0.3&1.9y2密度9250kg/m3取决于制造力学性能压力范围305-880Mpa应用中首选拉力范围28-40Mpa应用中避免弹性模量EH10-75GpaH为常数弹性模量EB30-80GpaB为常数声速1640-1940m/sE效应热力学性能导热系数12ppm/c不常用不常用导热率13.5W/mK25c不常用电学性质电阻58-63*10-8m不常用磁致伸缩特性相对透磁性T/09.0-12.0常应力下透磁性相对透磁性S/03.0-5.0常应变下透磁性饱和磁致伸缩点1.0T饱和程度可选MS耦合系数k330.6-0.85取决于应用MS应变常数d338-20nm/A取决于磁场MS质量因子3.0-20.0取决于应用4. Terfenol-D产品Terfenol-D是一种稀土合金，银白色，室温下易碎，原料具有高反应活性并含较多杂质，不易制取。目前为止，至少已有四种不同方法制备Terfenol-D，并且利用了准生产的原则。最为常用的方法是MB和FSZM。在FSZM方法中，材料在熔点附近受表面张力作用悬浮。这种方法也被叫做定向凝固方法。在MB方法中，材料完全融化，晶体开始由晶种生长。由于从模具壁开始的内部结晶将会覆盖其基础，即轴向树突的生长，所以，Terfenol-D材料的最小直径大约为10mm。在两种方法中，材料的凝固特别控制，其方法为，通过减小热流来促进晶体结构的均匀性。这两种方法都可以被用于制造具有高磁致伸缩率和高能量密度的Terfenol-D棒。烧结和混合的流程更多被用于生产用于高频振动（大于1kHz）的Terfenol-D棒，诸如，涡流将会产生较大损失。基于烧结的技术可以更好的运用于具有复杂几何外形的情形。固体棒直径可达65mm，长度可达200mm。板条式，有孔式，或其他特殊造型，如正方形截面，平板，盘状，目标喷溅Terfenol-D粉末的技术已经成熟，可以满足不同需求。最新的以及优化过的方法，在生产大体积、低成本产品中体现出了其广阔前景。Terfenol-D材料在较大拉力下会非常脆弱。其拉应力极限（28Mpa）相比起压应力（高达880Mpa），是非常小的。材料密度要高于常见的钢材，大约为9250km/m3。弹性模量一些Terfenol-D的性质在一个运行周期中并不恒定。其中一个是弹性模量，几乎随磁场发生近似直线的变化。E效应的描述在图6中有所展示。弹性模量在磁通密度为常值的条件下，可以如下表示：（6）如同方程所指出，在某一磁通密度下，弹性模量可能达到无穷大。当Terfenol-D试件产生这样的性质时，被认为产生“阻塞效应”，磁畴旋转停止，材料在压力下尺寸不再改变。磁-机耦合因数及磁致伸缩率在换能器应用中，磁能被转化成机械能，能量转化过程的效率由磁-机耦合因子所决定。这个因子的大小通常在0.5到0.7之间变化，说明转化效率在50%到70%之间变化。在只关注纵向伸长率的应用中（标准作动器应用），人们所感兴趣的材料性质，全部与轴向长度有关。这种模式叫做33-模式，磁-机耦合因数被叫做k33。磁-机耦合因数可以有如下方程求出：方程中磁致伸缩率d33是应变与磁场的变化率（-H）。可以如下定义。图7中，描述了磁致伸缩率d33的变化情况。图中有一个区域斜率很高，磁场与应变几乎呈线性变化。由于这个区域最小的工作损失和近乎线性的关系，这是材料工作的首选区域，被用于将磁能转化为机械能。在真正磁致伸缩效应的应用过程中，磁-机耦合因数和磁致伸缩率都不是常数。图8即为了展示为Terfenol-D材料在压力作用下，d33和的变化。在给定预应力的情况下，两个因数都达到了最大值。对于高效和实际的操作过程来说，两个参数越高越好。磁致伸缩率d33通常被叫做磁致伸缩应变率。Terfenol-D材料的磁致伸缩率d33通常在5-70nm/A范围内变化。其取值不仅如上文所说取决于预应力，更取决于外加磁场大小。品质因数在准静态条件下（连续正弦交流电激励），假设初始预应力为0，同时应变和磁场之间为线性关系。应变关系如下：d33在大部分频率下为常数。当然，在试件纵向达到共振频率时，振幅突然增大。因此，试件Terfenol-D的振动必须不受迫，以至于当其工作于作动器中时，其必须是一个空载作动器。共振频率下应变远大于准静态条件下振动。振动频率下应变如下给出：质量因子Qm为在一阶共振时应变相比于准静态条件下应变的放大倍数。在作动器一端完全自由振动质量因子Qm取决于内部发生的机械损失，其值等同于QH。内部材料因子变化范围在3-20之间。另一方面，如果有外加载荷，Terfenol-D试件就会的自由运动就会遭遇周围其他元件的阻碍，振动过程就会产生阻尼，品质因数QH就会减小到Qm。磁导率常数0=210-7Tm/A决定了自由空间的磁导率。大部分材料的磁导率接近自由空间磁导率。这些材料被称为顺磁材料或抗磁材料。由于铁磁材料的磁导率非常大，所以通常用一种新的性质来表示磁导率，即相对磁导率。其含义为，材料磁导率与自由空间磁导率之比。因此，相对磁导率这一参数是无量纲的。相对磁导率因此表征磁性材料对于磁效应的放大倍数，被表示为给定磁场中磁性材料中磁通密度的振幅。Terfenol-D材料的相对磁导率比磁铁小很多，表4所示为一材料的相对磁导率。表4相对磁导率取值范围Mu-metal20000坡莫合金8000磁铁200镍100Terfenol-D10铝1当一种铁磁材料被磁场磁化，磁场撤去后，材料不会完全退磁。必须反向施加磁场才能使磁性为0。所以磁化曲线是一个环，这个环被称为磁滞环。使磁畴与磁场方向一致需要一些能量。对于作动器或者传感器的智能材料发展来说，就是要发展迟滞效应最小的材料。另一方面，对于需要记忆磁场的材料来说，需要大容量的磁滞，永磁材料的发展也是如此。图9引自HyperPhysics网站。图中，用磁畴图形展示的方法表现出磁滞环。图10展示除了铁与铝的典型磁性对比。当材料对外加磁场有一很小响应时，铝的特性和自由空间特性类似，相对磁导率几乎和1相同。另一种说明磁性特性的方法是使用磁场磁化系数m，磁场磁化系数m表征相对磁导率与1的差（11）对于一些有效材料如Terfenol-D来说，相对磁导率取决于预应力和运行过程频率。图11表示Terfenol-D的磁性特征。图中表示出，材料如何通过改变磁通量（磁通密度B），对于外加磁场（H）做出相应。磁导率是B/H的值。图像中展示出了磁滞环。研究表明，预应力取值偏大的话会减小相对磁导率。对于正向磁致伸缩材料来说，一种解释是，当预应力较大时，大量的磁畴运动需要更多的机械能，因此，相比预应力较低的情况下，材料不能对于磁场做出响应。对于磁致伸缩材料来说，另一个对于磁场的附加响应是铁磁效应（磁通量被放大），导致应变改变。两种效应是相互关联的，但他们之间的关系是复杂的。对于这些材料来说，磁滞效应和磁致伸缩效应是相关的。图12是一种Terfenol-D试件的典型的磁滞环，表明磁致伸缩应变对于磁场的响应。所以，这些材料有关磁导率的性质可以被定义。在常应变下，磁导率表示如下：这一性质被应用于，智能材料“阻塞”状态。在阻塞状态下，材料应变不会再随外力而增加，所以磁畴的旋转也不再发生。阻塞力可以达到的最大的力被称为“阻塞力”。简单的力与位移的关系可以由弹性特征予以表达：方程中，SM为活性元素的刚度，并如下定义，磁场为常数的情况下，弹性模量与横截面积的乘积除以Terfenol-D的长度。将这两个方程连列，可以替换掉刚度，同时，也替换掉了磁致伸缩系数（=L/L），得到了阻塞力的定义表达式：当Terfenol-D试件的磁致伸缩应变达到最大时，就意味着达到了阻塞力。这一现象发生在非常高的磁场之下（max）。根据这一关系，阻塞力FBH与弹性模量和磁场中最大应变成比例。当然，每一个磁场强度下的阻塞力都可以被计算出来。在中等强度磁场下，一个直径20mm的Terfenol-D棒可以达到12000N的阻塞力。5. 典型优化以上所有的材料性质在工作周期中都会随着改变的条件而发生巨大的变化。为了达到令人满意的精度以及好的可控性以及高的能量密度，一系列额外措施被用于Terfenol-D材料的优化。一种传统的优化措施是利用永磁体建立一个具有永久偏磁的磁场，从而建立一个特性曲线斜率最大的区域。这种条件在图13中被展示。预磁化的水平取决于换能器的设计，通常变化范围在10kA/m到100kA/m之间。此外，利用永磁体偏磁效应可以使得换能器使用两极电流信号，因此减小铜损。有研究认为，机械预应力可以造成磁矩旋转到与外加应力垂直的方向上，尽管还没有解释出，为什么一个纯粹的机械因素会以这样的方式影响磁现象。当然，如果这种现象真实发生，磁矩被排列到与应力垂直的方向上，外加磁场最小的增量也将会产生最大的磁致伸缩应变，这种效应已经被实验所证实。尽管提供的机械应力并不是特别大，同一磁场下，预应力增加的话，磁致伸缩应变会变得更大。图14体现了Terfenol-D的这一性质。在大的预应力之下，另一种效应被发现。当产生正向磁致伸缩应变为支配因素时，能量需要克服预应力，导致在非常大的预应力下，磁致伸缩应变变小。因此，在某一预应力之下，磁致伸缩应变达到最大值。优化预应力的概念是，在不引入过大负载情况下，使磁矩在棒材轴线方向上基本垂直对齐。蝴蝶曲线，即在不同预应力下，应变与磁场关系曲线，正如上文所述，被用于定量求出优化预应力。换能器中Terfenol-D元素的应变范围，可以通过因素3来增加，即对预应力进行修正。预应力通过弹簧来提供。在偏磁效应和机械预应力的选择过程中存在相互依赖的关系，一种因素对于另一种因素存在影响。这种选择过程正在几个项目之中进行研究。一种关于这种效应的通用综述在以下几篇参考综述中提及。进一步的优化，联系其物理背景，可以通过最先进的加工方法和退火工艺来改善材料的结构，进而影响磁矩方向。其他的优化方法，在使用了磁致伸缩换能器的特殊排布的情况下也是可行的。典型的分布在表5中被列出，他们的有点和缺点也一并列出。对于一个简单、性价比良好的高能密度作动器，TC&TCM组态应该被优先考虑。最后，功能、成本水平以及可行的包装也对作动器组态有着影响6. Terfenol-D的应用磁致伸缩技术已经被成功运用于各种体积的产品。之前篇章所讨论的磁致伸缩效应，以Terfenol-D为代表，已经被应用于多个领域。两个Terfenol-D材料的主要应用即为作动器与传感器。下文即为典型GMM的应用概略。反应物作动器Etrema设计制作并验证了一套作动器设备，即使在宽频率下工作，依然可以产生足够的力。这种特定的大型反应设计工作频段为150Hz到2000Hz。这一设计同时可以产生4000N的力，或者在设备共振频率635Hz下产生30g加速度。利用作动器产生震波，并分析其反射波，可以得到地下及一些隐藏的结构和信息。图15所示为反应物作动器的横截面标准Terfenol-D作动器Etrema同时设计、制作并验证了几套用于其他目的的作动器。图16中简述了一种作动器的布局，这种作动器已经有成品可以使用，可以产生250m位移和2200N的驱动力，并可在2500Hz频率下进行工作。这种作动器的工作温度在大约-20C到+100C之间。另外，工作于高频段的超声作动器也是可以得到。另一种Terfenol-D驱动器由Cedrat Recherche研发。基于Terfenol-D的直线马达Energen Inc曾经设计并制作了基于智能材料Terfenol-D的紧凑式直线马达。这种直线马达的核心特征是一根被带点线圈包围Terfenol-D，当发生激励时，试件会伸长。作动器被安装于两个夹具之间。把作动器和夹具安装在恰当的顺序上，智能材料可以前后运动。图17所示为设计功能所要遵循的法则。声呐传感器中的Terfenol-D一个好的声纳换能器可以在低频率下产生高的机械驱动力。通常，在高带宽和低质量因子Q之间需要取得平衡。原始的、广泛使用的基于镍基的换能器，磁-机耦合系数为0.3，已经被基于磁致伸缩材料的新材料所取代。事实上，由于磁-机耦合系数可以高达0.8并且质量因子Q很低，Terfenol-D换能器可以在高的机械力和低频率下运行。图18所示为不同种类的换能器。布局（a）描述的是典型的Tonpilz声呐换能器，其可在2000Hz（Q=10）的共振频率之下工作于超过200Hz的带宽之间，声音大约200dB左右。从Ref中而来的（b）（c）布局将Terfenol-D材料的直线运动转化为可控的振动。更多的细节在Ref中给出。无线旋转马达中的Terfenol-D有人曾经开发结构，其可将磁致伸缩材料的伸长运动转化为旋转运动，从而驱动微型步进式旋转马达。这种运行的基本原则是基于“尺蠖”效应。一种基于这项技术的原型机可以在断电自阻的条件下提供大扭矩以及精确的位置控制。磁致伸缩的微型步进式马达由两对电极和两对驱动器组成，以使结合和脱离情况下都可以进行微型步进式运动。一部分能量储存于极对中的U型弹簧中。一台尺寸为260*115*108的原型机可以产生12.2Nm的扭矩并以600W的功率产生0.5r/min的转速。步长的分辨率可以达到800.更多的细节在Ref的实验结果中描述、分析、讨论。图19所示为微型步进式旋转马达的布局。电动液压作动器中的Terfenol-D磁致伸缩可以被用于直线运动作动器，并与传统技术进行结合，如液压驱动技术。少量的伸长，一步步增长，可以被用做高压流体流动的简单泵的工作源。Ref中介绍了一种安装了液压单向阀并与磁致伸缩功能相关的系统。这种系统包括磁致伸缩泵，一个液压流动分配系统，一个将液压能量转化为机械能的子系统，以及控制电路。图20描绘的是磁致伸缩泵的结构特点。一种是用此类结构的原型机可以获得搞到4.2MPa的工作压力和3l/min的流量。其简单、高能、快响应的特点使其具有一定前景。更多的实验论证和仿真结果在相关文献中有所记载。无线型直线微型马达Cedrat Recherche开发了几种类型的超声速驻波马达。这也是磁致伸缩薄膜的一种应用。这种直线微型马达的功能通过一个覆盖了磁致伸缩薄膜的自驱动硅盘来实现。这种智能材料的使用方法的优点是驱动效果可以在不接触磁场（带电线圈产生）的条件下产生，因此可以被放置于远离运动端的地方。外加磁场产生了共振的弯曲变形；这导致了盘的振动，使得运动速度接近10-20mm/s。一个简单的规律被运用于旋转马达。在20mT的激励磁场中，1.6Nm的扭矩可以产生30r/min的转速。图21所示为基于磁致伸缩材料的薄膜作动器。其他磁致伸缩薄膜的应用适合于Terfenol-D及其他磁致伸缩材料的镀敷涂层方法已经开发出了一些具有新应用的薄膜。溅射沉积磁致伸缩薄膜已经被用于高频工作条件下的微尺寸作动器中，其简单、廉价、无接触的排布特点被逐渐认可。考虑到组分以及喷溅的情况，TbDyFe材料在0.5T的磁场中可以获得700ppm的应变。不同的悬臂、薄膜型微系统近年来也相继发表。侧向磁致伸缩薄膜的本质是为了获得大的、可控的变形。简支梁的变形产生了基板的变形，变形无法受控，或者是凸的、或者是凹的。但如果一段有涂层，磁场作用下，变形即成为可控的，并可以用于不同目的。图22所示为一种原理可行的可控阀门。紧贴基板两端的涂层区域横截面被用颜色标出。这种排布的优点是，流动可以被磁场无接触的控制，同时，小流量也是也是使用这种微型阀门的优点。无接触磁致伸缩扭矩传感器在磁能和机械能之间的高效相互转化可以被用于无接触传感器。在这些应用中，魏德曼、维拉利、E和马陶西效应被用于测试磁致伸缩改变并提供可以统计的应力、外力或扭矩数据。材料力学性质的变化，如应力、应变，可以产生磁场中的变化，这些变化可以被预测。在传感器应用中，机械能的改变导致磁能的改变，通常，环绕磁致伸缩材料的拾波线圈被用于探测透磁性质的变化，电信号被应用于转变、过滤、放大基本数据来生成应力和应变的数据，进而反过来给出外加载荷的估计（压力、力、扭矩）。图23a是一个基于磁致伸缩技术的传感器的略图。在这项应用中，扭矩被施加在杆上，切应变沿杆长度方向变化。这同时也在杆轴向45方向上产生了拉压应力。两种应力方向互成90方向相反。当杆件包含磁致伸缩材料或环圈上包含磁致伸缩材料时，可以测得磁场磁导率沿这些方向发生了改变。磁通量的改变可以无接触获得。此类应用正沿着大体积、自动化的领域发展。另一种传感器在图23b中被展示，其原理为切应变引起的磁导率的改变。对于低敏感的测量，如有限的扭矩，价钱适中的磁性钢材和合金也可以使用。在略图中， 钻头的扭矩可由两个相互串列的拾波线圈测量。一只线圈固定于螺纹上，另一只线圈固定于柄上。柄上磁导率的改变不如螺纹上敏感。当传感器由于螺纹、柄上两拾波线圈磁导率不同而产生电势差之时，附加激励线圈就会产生磁场。 更多细节在相关文献中会提及。另一个磁致伸缩逆效应的传感器应用为远程询问应变仪。当使用逆磁致伸缩效应时，通常使用磁致伸缩薄膜或非定晶多层材料。仪器运行频率在10MHz到8GHz之间。远程询问法则将在下一段中进行介绍。高频振动可以使传感器天线小型化，宽的带宽可以被用于进行有效的测量。基本上，应力（或应变）的改变使得AC-磁导率也发生一致性的改变。磁致伸缩材料在机械能和磁能之间的高效率转化，极大的增加了应力传感器的相比于传统的反应精度。图24所示即为远程询问法则用于传感器的几种不同应用。（a）中感应元件包裹磁致伸缩材料的磁芯，（b）中，感应元件被一层磁致伸缩薄膜所包围。这一部分的应用并不综合，但给出了一系列关于磁致伸缩材料的综述，主要是Terfenol-D，具有大体积产品的潜质。它举出了许多有趣的科研领域。一些公司和大学正在进行磁致伸缩材料的深层次研究，特别是Terfenol-D。一些应用，诸如微型定位器、流体喷射器、主动泵系统、直升机叶片控制系统，也和基于压电效应的液压驱动一样，正在逐步被介绍于公共领域。7. 总结磁致伸缩技术是“旧瓶装新酒”，正在飞速的朝市场化方向发展，同时已经成功的应用于一系列自动、非自动领域。市场对于磁致伸缩的应用正越来越敏感，并提供了更多的智力支持，从而简化运行系统。磁致伸缩应用的特征，如能量密度、准确性、力学特性，都是这项技术可以应用于多个范畴的良好促进因素。由于一些现有材料的发展，科学界对于相关领域的兴趣正在迅速增长，如Terfenol-D在很大温度变化范围内已经具有了比较稳定的性质和较高的磁致弹性系数。大尺寸材料应用的恰当制造工艺也在发展中。今后设想新结构和不同结合方式技术的工作仍然需要被执行，从而优化磁致伸缩材料的特性并减少成本。技术潜在的简单、高能密度结构的应用，由于其对于大体积产品的需求很快延伸到了多个领域，包括医药工业、自动化工业。