電阻應(yīng)變計(jì)及電阻應(yīng)變式傳感器的使用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，正在向超精密度、小型化及高性能化方向發(fā)展。特別是必須具有高靈敏度、高穩(wěn)定性的壓力傳感器、稱重傳感器以及機(jī)器人用的觸覺傳感器和滑覺傳感器等的要求越來越高。為了獲得符合上述要求的具有高應(yīng)變靈敏系數(shù)的新型應(yīng)變電阻合金材料，人們進(jìn)行了種種的努力。對此進(jìn)行了廣泛而系統(tǒng)的研究，相繼研究開發(fā)了Fe-Cr系合金、Fe-Cr-Al系、Fe-Cr-Si系合金。與此同時(shí)還開發(fā)了鐵基非晶態(tài)應(yīng)變電阻合金。這些都為電阻應(yīng)變計(jì)及應(yīng)變式傳感器的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。

一、有關(guān)應(yīng)變敏感材料的技術(shù)要求

電阻應(yīng)變計(jì)是利用金屬電阻絲做箔材，在外力作用下產(chǎn)生變形而使其電阻發(fā)生變化，其電阻變化量與所受的外力之間呈線性關(guān)系。其中，應(yīng)敏感材料是決定電阻應(yīng)變計(jì)性能的關(guān)鍵材料之一，因而，通常應(yīng)變電阻合金的基本要求是：

1）應(yīng)變靈感系數(shù)大，并隨溫度變化?。?

應(yīng)變靈敏系數(shù)在室溫條件下由下式?jīng)Q定：式中：K—應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)； R—應(yīng)變計(jì)敏感柵電阻值；V—應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的泊桑比；P—應(yīng)變計(jì)敏感材料的電阻率；L—應(yīng)變計(jì)敏感柵的長度。一般而言，金屬和合金的V值為0.3，因此，K值的大小取決于，即在合金材料中施加拉伸變形時(shí)，材料長度方向的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起電阻變化量△P/P的變化，從而引起K值的變化。另外K值隨溫度的變化量其好壞以下式來衡量：△K=K（60°C）-K（30°C），△K越小越好。2）電阻溫度系數(shù)Cfih；3）電阻率P高；4）對銅熱電勢E_mf??；5）加工性好，機(jī)械性能好；6）價(jià)格便宜等。

下面我們主要結(jié)合上述要求對幾種新型應(yīng)變敏感合金材料的性能改進(jìn)方面的進(jìn)展進(jìn)行研究。

二、鐵鉻(Fe-Cr)系應(yīng)變敏感材料及其特性

1、Fe-Cr系合金

Fe-Cr系合金是一個(gè)二元系合金，研究表明，F(xiàn)e與Cr在液態(tài)下能互相作用，且在結(jié)晶過程中形成互相連續(xù)的一系列固溶體。Fe、Cr固溶體的物理性質(zhì)隨著其成份的改變而連續(xù)地變化。Fe-Cr系中有下列兩種轉(zhuǎn)變發(fā)生：α—固溶體形成化合物FeCr的轉(zhuǎn)變、αγ轉(zhuǎn)變。由于Fe-Cr系內(nèi)的Cr原子百分?jǐn)?shù)為40-51.5之間固溶體的轉(zhuǎn)變，故物理性質(zhì)的連續(xù)變化特性被破壞，特性曲線的連續(xù)性中斷。研究發(fā)現(xiàn)α—固溶體的轉(zhuǎn)變與化合物Fe-Cr（σ相）的形成同時(shí)進(jìn)行，有效地控制合金成份轉(zhuǎn)變溫度和轉(zhuǎn)變速度，對合金性質(zhì)將有很大的影響。通過對含Cr量0-50%的Fe-Cr系二元合金，以截面縮減量為98%冷加工后的材料的特性測量，得到如下的結(jié)果：

①Fe的應(yīng)變靈敏系數(shù)K為4.2，Cr含量為3%時(shí)，減小極少，而隨著Cr含量增加到20%時(shí)，合金的K值迅速增加，達(dá)到極大值6.2。而后隨Cr含量增加而很快地減小；

②合金電阻率P隨Cr含量的增加，起初增加得快，隨合增加速度降低。在Cr含量為40%時(shí)，P值達(dá)到51μΩ–cm。而后當(dāng)Cr含量增加時(shí)，P急速的增大；

③合金的電阻溫度系數(shù)Cf隨著Cr含量增加至3%時(shí)，其值迅速減小，而后隨Cr含量增加而緩慢地增加，當(dāng)Cr含量達(dá)到20%時(shí)達(dá)到最大值，當(dāng)Cr含量再增加時(shí)則逐漸減小。

④合金的對銅熱電勢E_mf隨Cr含量的增加，其絕對值緩慢增加，Cr含量約在5%時(shí)，其值達(dá)到最大值，而后逐漸減小。

典型的Fe-Cr系合金（Cr含量為20%）K值最高為6.2，P為44.6μΩ–cm，C_f為32.7×10^-4/°C，E_mf為+11.0μV/°C。

2、Fe-Cr-Co系合金

在Fe-Cr系合金中加入Co或Ni等第三種元素組成Fe-Cr-Co系及Fe-Cr-Ni系合金。在常溫下，當(dāng)Co的含量為0~7%及Cr含量為0~30%的組份范圍內(nèi)，大部分是α相及ε相，而σ相完全不必考慮。Ni含量為0~65%及Cr含量為0~30%的組份范圍，幾乎都由α相及γ相占據(jù)，部分σ相出現(xiàn)在Cr含量高的范圍內(nèi)。由Cr含量在30%以下及Co合金70%以下的Fe-Cr-Co合金及Cr含量為30%以下和Ni含量為65%以下的Fe-Cr-Ni合金，具有以下的應(yīng)變特性：

①應(yīng)變電阻應(yīng)變系數(shù)（即應(yīng)變靈敏系數(shù)K），通常是隨Co的添加，起初變化迅速，而后逐漸緩慢降低。和Co含量相同，當(dāng)Co含量在Fe-Cr系合金中為20%時(shí)，K為最高值（6.2），并且沿著Fe：Cr=4：1的線變化。Co含量為65%時(shí)，K約為3.0。在Fe-Cr合金中添加Ni時(shí)，隨著Ni含量的增加，K值一般呈減小趨向，在Fe-Cr系合金中，Cr含量為20%時(shí)，最高值為6.2，在α+γ相附近降到極小值，接著在γ相范圍，11%Cr及20%Ni時(shí)稍有增加，隨后稍有降低。

②電阻率ρ：隨著在Fe中加入Cr和Co或者Cr和Ni時(shí)，ρ隨之增大，達(dá)到90μΩ–cm以上，其值比常見的Fe-Cr二元合金高。

③電阻溫度系數(shù)C_f:在大部分Fe-Cr合金中添加Co或Ni時(shí)，Cf減小，并隨添加量的增加達(dá)到極小值，而后隨添加量的增加略有增加。

④對銅熱電熱E_mf:在Fe-Cr合金添加Co或Ni時(shí)，隨著添加量的增加，E_mf隨之減小，直至零值，然后轉(zhuǎn)至負(fù)值后又將逐漸增加。

典型的50%Fe-15%Cr-35%Co及70%Fe-10%Cr-20%Ni合金的應(yīng)變特性分別為：K為3.9及3.7；ρ為88.6及86.0μΩ–cm：C_f為2.6×/°C及3.0×/°C；E_mf為-0.1μV/°C及-4.7μV/°C。

3、Fe-Cr-Co-Ni系合金

在Fe-Cr-Co合金的基礎(chǔ)上加入Ni形成的四元合金，有以下的特點(diǎn)：

①Fe-15%Cr-30%Co+0~40%Ni四元合金的應(yīng)變靈敏系數(shù)一般比Fe-15%Cr-Co三元合金小。Ni含量為1%時(shí)為最大值，其值隨著Ni的添加量的增加及Co含量的減小呈平移的減小趨勢。K值在Ni含量為10~15%及20~25%時(shí)分別為極小值和極大值。在極大值附近的Co含量25~30%。K值對Co含量和Ni含量的依存性比Fe-15%Cr-Ni合金大。在室溫下，其電阻率ρ、電阻溫度系數(shù)及對銅熱電熱與應(yīng)變靈敏系數(shù)的變化有很好的對應(yīng)關(guān)系。

②Fe-15%Cr-30%Co+0~40%Ni的四元合金，在溫度為293K~1273K之間的電阻變化，在10%Ni以下的場合，加熱及冷卻曲線相當(dāng)復(fù)雜，產(chǎn)生大的磁滯。而在20%Ni以上時(shí)，加熱和冷卻曲線之間的差極小，Ni含量少的組成領(lǐng)域，由于加工引起馬氏體變化，αˊ相（bcc）及Ni含量多的組成領(lǐng)域，即使加工γ相（fcc）也沒有變化，因此應(yīng)變計(jì)的異常性，與αˊ相和γ相共存狀態(tài)密切相關(guān)。合金的加工性能，隨Ni含量在組份中的減少，在比較低的溫度下γ→α+ε，隨后，由于冷拔絲，使其向αˊ相變而惡化，但Ni含量增多時(shí)，看不到這樣復(fù)雜的相變，而變成非常良好的γ單相。典型的Fe-12.6%Cr-25.0%Co+16.9%Ni合金的應(yīng)變特性為：K為3.9、ρ為0.78μΩ–cm；C_f為6.9×10-4/K；E_mf為-2.0μV/K。

4、Fe-Cr-Co-W及Fe-Cr-Co-Mo系合金

在Fe-15%Cr5%~40%Co三元合金中分別添加7%以下的W和Mo,得到Fe-Cr-Co-W系及Fe-Cr-Co-Mo四元系合金，以趕集面縮減率為30%~99%的冷拔絲材試樣，分別測定了其應(yīng)變靈敏系數(shù)ρ293，電阻溫度系數(shù)C_f及對銅熱電勢E_mf等各種應(yīng)變特性。首次測量了威氏硬度和高溫時(shí)的電阻，然后進(jìn)行了X衍射分析，其結(jié)果為：

①Fe-14.3%Cr-28.6%Co+4.8%W合金及Fe-14.7%Cr-29.4%Co+2.0%Mo合金的△L/L~△R/R曲線K及線性部分的應(yīng)變量（△L/L）、截面縮減率大小變化的影響不大。但斷裂應(yīng)變（△L/L）f則隨截面縮減率的增加而明顯增大。對于上述合金K的最高值勤是在截面縮減率在98%條件下獲得的。這是認(rèn)為（△L/L）f和截面縮減率的關(guān)系是與纖維組織的微細(xì)化有關(guān)系。而Fe-Cr-Co-W系及Fe-Cr-Co-Mo系合金的加工性，通常前者比后者為好。

②Fe-Cr-Co-W系合金的K隨Co含量的增加大體上呈單調(diào)的減小。但在Co含量為25%以上的組份范圍，K值比Fe-15%Cr-30%Co三元合金大，并且W組份對應(yīng)變特性的影響比Co含量變化的影響小。另外，威氏硬度Hv比Fe-15%Cr-30%Co三元合金高，在W含量為3%以上時(shí)顯示最高值約400。

③Fe-Cr-Co-W系及Fe-Cr-Co-Mo系合金在293~1273K之間的電阻，加熱及冷卻曲線呈現(xiàn)復(fù)雜的變化，而且兩曲線產(chǎn)生很大的磁滯，即使在室溫附近也不一致。這種不一致的原因，由于χ衍射線分析的結(jié)果推論，是由于加工引起馬氏體變態(tài)生成αˊ相的緣故。

典型的Fe-14.3%Cr-28.6%Co+4.8%W合金及Fe-14.7%Cr-29.4%Co+2.0%Mo合金的應(yīng)變特性為，K皆為4.1，ρ分別為0.93μΩ–m及0.86μΩ–m, Cf為7.8×10^-4/K及4.0×10^-4/K,Emf為0.6μV/K及0.3μV/K,威氏硬度分別為389及475。

5、Fe-Cr-Co-(Mo、W)系及Fe-Cr-Co-Mo-W系合金

在Fe-Cr-Co系合金基礎(chǔ)上添加Mo或W組成四元合金和在Fe-Cr-Co系合金中同時(shí)添加Mo和W元素組成五元合金。這些合金在經(jīng)800K以上溫度的退火處理，其應(yīng)變靈敏系數(shù)K顯著增加。無論哪一種合金，對應(yīng)Co含量有一個(gè)極大值，而其值的位置是不一致的。K的最高值，在添加W的合金中達(dá)K=10以上。通常，隨著退火溫度的增加，K緩緩降低，但在800~900K以上時(shí)，K突然急劇增加至極大值，隨后又迅速地降低。K的異常性能所示的溫度范圍，根據(jù)合金種類不同而異的。Fe-Cr-Co合金添加Mo元素的合金的K，在K最高值以下；添加W元素的合金，K值達(dá)11.1。

由上述可見，F(xiàn)e-Cr-Co-(Mo、W)四元合金及Fe-Cr-Co-Mo-W五元合金，約在800K以上溫度退火時(shí)，K顯著地增加，造成高應(yīng)變靈敏系數(shù)的原因，由χ衍射分析認(rèn)為，在加工態(tài)和Fe同樣為bcc型，觀察到只是α相的衍射線，呈單相合金形態(tài)分布。另外在1073K溫度下退火，析出γ相（fcc型），在更高的退火溫度1273K時(shí)，析出γ相和ε相(hcp型)。

四元合金及Fe-15%Cr-10~40%Co+0~5%Mo+0~25%W五元合金應(yīng)變特性：

①Fe-Cr-Co-(Mo、W)及Fe-Cr-Co-Mo-W系合金，在冷拔絲材狀態(tài)下的應(yīng)變靈敏系數(shù)，和添加元素Mo和W等元素種類及添加量幾乎沒有關(guān)系，K幾乎是一恒值，約為4.0；而截面縮減率對應(yīng)變靈敏系數(shù)也沒有顯示出大的影響。

②Fe-Cr-Co-(Mo、W)合金的應(yīng)變靈敏系數(shù)：在873K~1273K退火時(shí)，K有顯著的增加。特別在1083K退火的Fe-14.0%Cr-23.4%Co-6.5%W合金K值高達(dá)11.1，而該合金的斷裂應(yīng)變量約為8%。

③Fe-Cr-Co-(Mo、W)及Fe-Cr-Co-Mo-W合金的應(yīng)變靈敏系數(shù)，在高應(yīng)變領(lǐng)域接近于理論值2.0完全滿足定值收斂性。而高應(yīng)變靈敏系數(shù)的原因，認(rèn)為是γ相的析出，使合金內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生大幅度變化所致。

三、鐵鉻鋁（Fe-Cr-Al）系應(yīng)變敏感材料及其特性

鐵鉻鋁（Fe-Cr-Al）合金最早是以用于電熱合金而被開發(fā)研究的。60年代中期，R.Bertodo發(fā)表了有望用于高溫電阻應(yīng)變計(jì)的Fe-Cr-Al三元合金，其電阻率為120μΩ–cm，電阻溫度系數(shù)為+164~-205×10^-6/°C，合金的應(yīng)變靈敏系數(shù)比較低，約為1.88~2.37。它在熱處理時(shí)表現(xiàn)不穩(wěn)定，而且在制造過程中產(chǎn)生明顯的氧化，高溫下易產(chǎn)生裂紋，因而加工成細(xì)絲和箔材相當(dāng)困難。為了使Fe-Cr-Al三元合金在應(yīng)變計(jì)或傳感器領(lǐng)域內(nèi)實(shí)用化，不僅必須提高其應(yīng)變靈敏系數(shù)，提高熱處理的穩(wěn)定性，而且還應(yīng)減少氧化，改善高溫加工性及冷加工性。特別是氧化問題，大都集中在結(jié)晶晶料間和結(jié)構(gòu)缺陷等方面，因而使結(jié)晶微細(xì)化，高溫加工時(shí)不發(fā)生裂紋是問題的關(guān)鍵。

為了克服上述的缺點(diǎn)，研制出電阻率為120μΩ–cm以上，電阻溫度系數(shù)為+500×10^-6/°C以下，應(yīng)變靈敏系數(shù)2~4以下的應(yīng)變特性穩(wěn)定、高溫加工性良好的Fe-Cr-Al基合金，以適用于高應(yīng)變靈敏應(yīng)變計(jì)，電阻元件及各種傳感器件，中村等人對Fe-Cr-Al系三元合金進(jìn)行了種種改性研究，取得了大量的試驗(yàn)結(jié)果。改性Fe-Cr-Al系合金可分為4組，即：

①A組：主組份（Fe、Cr、Al）+添加組份（Ni、Cu、Co）；

②B組：主組份（Fe、Cr、Al）+添加組份（Mo、W、Nb、Ta、V、Zr）；

③C組：主組份（Fe、Cr、Al）+添加組份（Mn、Ti、Si、Mg、Ca、稀土類元素）；

④D組：主組份（Fe、Cr、Al）+添加組份（Ni、Co、Cu、Mo、W、Nb、Ta、V、Zr、Mn、Ti、S、Mg、Ca、稀土類元素）。

研究表明，為保證改性Fe-Cr-Al合金能滿足應(yīng)變計(jì)和傳感器的要求，必須對合金組份、制造過程中的熱處理等條件加以控制。Fe-Cr-Al合金中添加組份的元素種類及組成數(shù)量對合金性能的影響，一般認(rèn)為：添加組份選用Ni、Cu及Co時(shí)，有利于改善應(yīng)變靈敏系數(shù)隨溫度變化（靈敏系數(shù)差），改善熱處理的穩(wěn)定性，以及抑制δ相的析出而提高加工性。添加組份選用Mo、W、Nb、Ta、V及Zr時(shí)，不僅可以改善應(yīng)變特性，特別是電學(xué)特性，還由于結(jié)晶細(xì)化而有防止氧化的效果。添加組份選用Mn、Ti、Si、Mg、Ce及稀土類元素，這些元素在熔解過程中有顯著的脫氧效果，可減少合金內(nèi)部缺陷，防止在高溫加工時(shí)發(fā)生加工裂紋，并且也可很好地改善冷加工性能。應(yīng)該注意的是，添加組份總量應(yīng)控制在5%以下，在此范圍內(nèi)，上述元素的添加會有顯著效果，若超過5%時(shí)，將使性能惡化，或由于過量的添加損壞熱加工性能。

改性Fe-Cr-Al合金的制作工藝中，限定的鍛造溫度為1000~1200°C時(shí)，其間高溫加工性能非常好，不會發(fā)生鍛造裂紋。溫度低于1000°C時(shí)，材料非常硬，延性差，若強(qiáng)行加工會產(chǎn)生裂紋；高于1200°C時(shí)，會因材料表面的氧化膜剝落而使材料內(nèi)部龜裂部分氧化，失去動(dòng)延性而發(fā)脆。

四、Fe-Cr-Si基應(yīng)變敏感材料及其特性

適用于應(yīng)變計(jì)用材料的Fe-Cr-Si基合金，其主要成份（重量百分比）為Fe-Cr(5%~30%)-Si(0.51%~7%)，添加組份有Ni、Co、Mo、W、V、Nb、Ta、Mn、Cu、Ti、Zr、Hf、Ag、Au、Al、Ge、鉑族元素、Sn、Sb、Ga、In、稀土元素Be、B、C、N等元素。選其1種或2種以上，合計(jì)含量為0.001%~50%。

通常，F(xiàn)e-Cr二元合金的K值及Cf值都很大，當(dāng)添加Si時(shí)，一般是隨著Si含量的增加，其K值及C_f值減小。Si含量為7%以上時(shí)，K值在2.0以下。而Si含量在0.51%以下時(shí)，Cf值在（-10~10）×10^-4/°C以下，就可適用于應(yīng)變計(jì)。為了確保應(yīng)變特性，希望Si含量為0.51%~7%，控制在1.0%~5%，Cr含量控制在10~25%范圍。

研究表明，添加組份Co、Mo、W、V、Nb、Zr、Be、B、C及N等元素，對提高應(yīng)變靈敏系數(shù)效果很大；而添加Ni、Al、Ge、Ga、In、稀土元素及Be時(shí)，對減小電陰溫度系數(shù)效果大；另外，Ni、V、Nb、Ta、Mn、Ti、Zr、Hf、Al、Pt族元素及稀土類元素對改善其加工性能效果明顯。

五、非晶態(tài)鐵基應(yīng)變敏感材料極其特性

過去電阻應(yīng)變計(jì)的構(gòu)成材料主要是Cu-Ni系、Ni-Cr系等晶體系合金材料，這些材料在高溫或低溫下不能符合應(yīng)變特性的要求，另外應(yīng)變特性會隨著熱處理發(fā)生變化，特別是與近年來對各種傳感器件的小型化、輕量化的要求不適應(yīng)，且在惡劣環(huán)境條件下存在不耐使用等問題。而用非晶態(tài)合金，靈敏系數(shù)不受溫度和熱處理?xiàng)l件影響，并能得到高阻值，長壽命等效果。八十年代初，日本曾研制了一種Ni-Si-B為主體成份，其中添加Cr、Al、Cu、Fe、V及Ti等元素中的一中或兩種元素，可改善電阻溫度系數(shù)和電阻特性。但是這種合金的應(yīng)變靈敏系數(shù)為2.0左右，與晶體質(zhì)合金相同，且疲勞壽命為10⁷。為了尋求優(yōu)質(zhì)的非晶態(tài)應(yīng)變電阻合金材料，共和電業(yè)等公司于九十年代開發(fā)了一種Fe基非晶態(tài)合金，其合金組份的表達(dá)式為： (Fe1-a-bMaM’b)100-x(Si1-cBc)x，式中，M—V、Cr、Mn、Cu、Nb、Mo、Ta及W中一種；M’—Ni及Co（至少選擇其中的一種）；a—0.001≤a≤0.25；b—0≤b≤0.5；c—0.2≤c≤1.0；x—10at%≤a≤35at%。

應(yīng)變敏感元件用非晶態(tài)合金薄帶是采用以下方法制作的：把符合上述組份要求配置的母體合金熔融后，把合金溶液從噴嘴中向旋轉(zhuǎn)冷卻體噴出，于是得到超急冷的非晶態(tài)合金薄帶，旋轉(zhuǎn)體冷卻材料是由Fe基合金或Cu基合金制成，噴嘴尖端形狀呈矩形，和旋轉(zhuǎn)冷卻體的周向平行的位置短邊約為0.07~0.13mm，而且噴嘴和旋轉(zhuǎn)冷卻體之間間隔為0.05~0.25mm，旋轉(zhuǎn)冷卻體的周速為20~50m/s。在1×10^-2torr以下的減壓氣氛下，從噴嘴噴出的合金溶液以0.015~0.025kg/cm²的射出壓力噴出，噴射在旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)冷卻體上。在此條件下獲得板厚為10μm以下的薄非晶態(tài)合金帶，且具有優(yōu)良的表面光潔度。一般要求合金的平面粗糙度Ra約為1.0~1.5μm以下為宜。由此獲得的各種非晶態(tài)合金具有應(yīng)變靈敏度系數(shù)高、耐疲勞壽命長的特點(diǎn)。

六、應(yīng)變敏感材料應(yīng)用前景廣闊

應(yīng)變敏感材料是研制各種高性能應(yīng)變計(jì)和各種應(yīng)變式傳感器的關(guān)鍵材料。研究開發(fā)各種具有應(yīng)變靈敏度系數(shù)大、電阻率高、電阻溫度系數(shù)和對銅熱電勢小的應(yīng)變電阻合金，是現(xiàn)代工業(yè)對應(yīng)變計(jì)及電子應(yīng)變式傳感器的高精度、小型化、高穩(wěn)定性等方面的要求。對各種電阻應(yīng)變計(jì)及電阻應(yīng)變式傳感器用敏感元件材料的研究開發(fā)，這不僅豐富了應(yīng)變計(jì)及傳感器的材料來源，而且也擴(kuò)大了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。