一种基于磁致伸缩材料的阻尼精确调控方法和装置与流程

本发明属于铁磁型阻尼材料领域，特别涉及一种基于磁致伸缩材料的阻尼精确调控方法和装置。

背景技术：

1、随着科学技术的不断进步，工业、交通运输、航空航天等领域的振动和噪声逐渐增多，振动噪声已成为三大公害之一。振动噪声不仅会减损机械设备的使用寿命，还会损害人体健康。通常，主要有主动减振和被动减振两大技术路线，主动减振通过主动输出与振动噪声相位相反、振幅相同的波形进而打破振动传播路径从而实现振动消除，被动减振则通过将振动能量转换为其他能量(如热能)耗散而实现振动消除。

2、以乘用车为例，为提高乘坐者的舒适感，当车行驶在不平路面时需要减振器以避免振动直接传递到车身。在汽车悬架中主要使用内部充有液体的液力式减振器，减振器内部的液体在汽车车身和车轮振动时会流经阻尼孔，液体在流经阻尼孔时的摩擦和液体的黏性摩擦形成了减振阻力，进而将振动能量转化为热能并耗散到周围空气，达到减振目的，是一种被动减振装置。提高减振器的阻尼系数可以促使振动消除得更快，但可能导致减振器连续零件以及车架损坏。因此，为了尽量发挥减振器的功能，需要减振器在悬架压缩行程内的阻尼力应较小以便充分利用弹性元件的弹性来缓和冲击，在悬架伸张行程内的阻尼力应较大以便能迅速减振，而当车桥(或车轮)与车架的相对速度较大时，减振器应当使阻尼力始终保持在一定范围内以避免承受过大的冲击载荷。可见，减振器的阻尼可调、可控对于提高乘用车的舒适性，以及其他行业领域的振动和噪声消除极为重要。为实现阻尼可调，中国发明专利zl202111489866.x提供了“一种基于金属橡胶孔隙材料磁流变高阻尼减振器”，该减振器采用高阻尼性能的金属橡胶作为减振元件，磁流变液体与金属橡胶减振元件的有机结合，在受到外部载荷时，基于多孔隙结构特征的金属橡胶，减振器的阻尼是可变的。中国发明专利zl 202210077201.6提供了“具有减振抗冲击复合功能的变刚度变阻尼磁流变座椅悬架”，其中变刚度变阻尼转动阻尼器的变阻尼特性的实现是基于磁流变液的流变特性：当供给内阻尼单元大电流时，变刚度变阻尼转动阻尼器的输出阻尼力变大；当供给电流小时，输出阻尼力变小。这些阻尼调节的方法和装置比较复杂，且均不适用磁致伸缩材料。

3、阻尼合金是被动减振的重要材料，主要有复相型、位错型、孪晶型、铁磁型等，其基本原理是通过材料内部不同的阻尼机制吸收外部振动能量，进而转换为热能进行耗散，实现减振效果。其中，铁磁型阻尼合金的阻尼机制是基于合金中的磁畴壁在外界振动作用下发生不可逆位移，产生磁-机械滞后作用，从而实现能量耗散并形成对振动的阻尼衰减。其中，铁磁型阻尼合金中磁畴的不可逆转动是其阻尼性能的主要来源，而磁畴的转动受磁场控制，为阻尼的调控提供了一种可能。

4、磁致伸缩材料作为重要的磁性功能材料，其典型功能特征是可以实现磁(电)能和机械(声)能的相互转换，可用于开发换能器、致动器、传感器等器件，满足航空、航天、深海探测等高新技术领域的应用需求。中国发明专利zl 202110087311.6提供了‘一种兼具高阻尼和零磁致伸缩特性的合金材料及其制作方法’，指出fe-ga基高磁致伸缩合金在磁场作用下具有形状变化大的缺点，开发出兼具零磁致伸缩系数和高阻尼性能的fe-ga基减振合金，合金阻尼约16×10-3。

5、本技术的申请人于2022年10月递交了中国发明专利申请no.202211245767.1‘一种高磁致伸缩高阻尼高强度的fe-ga基合金’，该申请提供的fe-ga基合金具有获得高磁致伸缩性能的<100>或<110>择优取向，微观组织以bcc相为主，且含有纳米级d03相，从而具有主动减振和被动减振一体化性能；但该发明专利申请没有公开fe-ga磁致伸缩材料的阻尼在线实时调控方法。

6、考虑到磁致伸缩材料作为一种铁磁型材料，其磁畴结构在磁场作用下的90°磁畴转动是磁致伸缩的主要来源，同时磁畴转动也是合金阻尼性能的来源。在现有技术中，得到一种阻尼精确调控的磁致伸缩材料，通过控制磁场强弱实现阻尼的精确调控的技术方案，至今还未见报道。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于磁致伸缩材料的阻尼精确调控方法及装置，以具有大磁致伸缩性能的磁致伸缩材料为基础，通过控制施加在磁致伸缩材料的磁场强弱，一方面可以调节材料自身的阻尼性能实现阻尼性能的动态调控，满足被动减振对阻尼变化的需求；另一方面可以调节材料自身的磁致伸缩应变实现对振动噪声的控制，满足主动减振对材料的需求。

2、为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种基于磁致伸缩材料的阻尼精确调控方法，包括如下步骤：

4、s1、制备磁致伸缩材料合金棒，所述磁致伸缩材料为铁磁型阻尼合金，通过定向凝固和高温热处理工艺制备获得特定取向及组织结构，使得该合金棒具有高磁致伸缩、高阻尼性能；

5、s2、阻尼调控：将上述磁致伸缩材料合金棒置于一外磁场中，通过控制施加于合金棒上的外磁场的强弱实现其阻尼的精确调控，在磁场作用下阻尼峰值在20×10-3～210×10-3范围内实现阻尼精确调控。

6、所述外磁场由永磁体或电磁铁提供。

7、所述磁致伸缩材料为具有<100>择优取向的巨磁致伸缩材料，其化学成分按原子比表示为fe100-xgax，x＝15～30；该材料在100oe磁场作用下，磁致伸缩性达到200×10-6以上；而且，该材料在0oe～500oe磁场作用下，实现阻尼峰值在20×10-3～85×10-3范围内的调控。

8、所述磁致伸缩材料为具有<110>择优取向的稀土超磁致伸缩材料，其化学成分按原子比表示为tbydy1-yfez，y＝0.25～0.50，z＝1.8～2.0；该材料在500oe磁场作用下，磁致伸缩性达到800×10-6以上；而且，该材料在0oe～500oe磁场作用下，实现阻尼峰值在45×10-3～210×10-3范围内的调控。

9、在步骤s1中包括以下步骤：

10、s1.1、定向凝固：在高于5×10-3pa的高真空环境中通入适量惰性气体进行保护，待合金熔化均匀后进行定向凝固，通过控制抽拉速率和冷却速率，制备具有特定取向的磁致伸缩材料；

11、s1.2、高温热处理：在高于5×10-3pa的高真空环境中通入适量惰性气体进行保护，控制温度范围800℃～1200℃，保温时间0.1h～10h，进行高温热处理以调控磁致伸缩材料的显微组织结构。

12、所述步骤s1.1中，所述定向凝固的抽拉速率为5mm/min～50mm/min；冷却速率为40k/mm～200k/mm。

13、所述步骤s1.2中，在高温热处理后，待炉温冷却至680℃～850℃，保温0～240h，对磁致伸缩材料的显微组织结构进行二次调控。

14、当由永磁体施加外磁场时，所述步骤s2中进一步包括至少一种以下调节手段：

15、根据磁场需求，选择如下永磁体中的一种：钕铁硼(nd-fe-b)合金、钐钴(sm-co)合金、铝镍钴(al-ni-co)合金或铁氧体；

16、通过调整永磁体的规格尺寸，对所提供磁场进行调整；

17、通过调节永磁体与合金棒之间的间隙，调节施加在合金棒上的磁场大小；

18、在永磁体与合金棒之间设置施加预应力的弹簧，通过弹簧感知外界振动从而调节永磁体与合金棒之间的间隙，实现外加磁场的自适应调控。

19、当由电磁铁施加外磁场时，所述步骤s2中进一步包括至少一种以下调节手段：

20、通过控制电磁铁的输入电流实现磁场大小的调节，进而可实现材料的阻尼调控；

21、通过施加特定波形的电流驱动材料产生次级声波或振动，实现主动减振效果；

22、添加感知系统检测外界振动变化情况，利用智能系统控制电磁铁驱动材料，达到阻尼和/或应变输出的动态调节，实现更好的减振效果。

23、该方法应用于：调节材料自身的阻尼性能实现阻尼性能的动态调控，满足被动减振对阻尼变化的需求；和/或调节材料自身的磁致伸缩应变实现对振动噪声的控制，满足主动减振对材料的需求。

24、一种实现所述的基于磁致伸缩材料的阻尼精确调控方法的装置，该装置包括：

25、一个磁致伸缩材料合金棒，和设置在该磁致伸缩材料合金棒两端的外磁场，该外磁场由永磁体或电磁铁提供，通过控制施加于合金棒上的外磁场的强弱实现其阻尼的精确调控，在磁场作用下阻尼峰值可在20×10-3～210×10-3范围内实现精确调控。

26、当由永磁体施加外磁场时，该装置进一步设置至少一种以下调节部件：

27、可调节合金成分和/或规格尺寸的永磁体；

28、调节永磁体与合金棒之间的间隙的部件；

29、永磁体与合金棒之间设置施加预应力的弹簧，通过弹簧感知外界振动从而调节永磁体与合金棒之间的间隙。

30、当由电磁铁施加外磁场时，该装置进一步设置至少一种以下调节部件：

31、调节电磁铁的输入电流的部件，用于实现磁场大小的调节，进而可实现材料的阻尼调控；

32、给电磁铁施加特定波形的部件，使得电流驱动材料产生次级声波或振动，实现主动减振效果；

33、感知系统外界振动的部件，通过感知系统外界振动变化情况，利用智能系统控制电磁铁驱动材料，达到阻尼和/或应变输出的动态调节，实现更好的减振效果。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

35、本发明得到的基于磁致伸缩材料的阻尼精确调控方法，可以实现磁致伸缩材料在磁场作用下的阻尼精确调控以及主动减振等有益效果，有助于开发具有阻尼可调的主被动一体化减振器，为减振器件的开发提供全新的设计思路，实现对减振器件结构的精简以及可靠性的提高，满足工业、交通运输、航空航天等领域的减振需要。同时，本发明提供的磁场施加方法可以通过电磁铁、永磁体等装置提供，方法简单明确有效，可靠性高。

36、基于此，本发明提出一种基于磁致伸缩材料的阻尼精确调控方法，通过控制外加磁场强弱实现阻尼的精确调控。基于本发明可以设计阻尼可调的减振器，有助于提高乘用车的舒适性；此外，基于本发明的减振器，还具有主动减振效果。综上，可满足主被动减振器件的设计需求，满足工业、交通运输、航空航天等领域的减振需要。