Магнитострикция — это свойство магнитных материалов , которое заставляет их изменять свою форму или размеры в процессе намагничивания . Изменение намагниченности материалов из-за приложенного магнитного поля изменяет магнитострикционную деформацию до тех пор, пока не достигнет значения насыщения, λ. Эффект был впервые обнаружен в 1842 году Джеймсом Джоулем при наблюдении за образцом железа . [1]
Магнитострикция применима к магнитным полям, а электрострикция — к электрическим полям.
Магнитострикция приводит к потере энергии из-за нагревания трением в восприимчивых ферромагнитных сердечниках, а также является причиной низкочастотного гудящего звука, который можно услышать от трансформаторов, где переменные токи создают изменяющееся магнитное поле. [2]
Внутренне ферромагнитные материалы имеют структуру, которая разделена на домены , каждый из которых является областью однородной намагниченности. При приложении магнитного поля границы между доменами смещаются, а домены вращаются; оба этих эффекта вызывают изменение размеров материала. Причина, по которой изменение магнитных доменов материала приводит к изменению размеров материала, является следствием магнитокристаллической анизотропии ; требуется больше энергии для намагничивания кристаллического материала в одном направлении, чем в другом. Если магнитное поле приложено к материалу под углом к легкой оси намагничивания, материал будет стремиться перестроить свою структуру таким образом, чтобы легкая ось была выровнена с полем, чтобы минимизировать свободную энергию системы. Поскольку различные направления кристалла связаны с различными длинами, этот эффект вызывает деформацию в материале. [3]
Обратный эффект, изменение магнитной восприимчивости (реакции на приложенное поле) материала при воздействии механического напряжения, называется эффектом Виллари . Два других эффекта связаны с магнитострикцией: эффект Маттеуччи — создание винтовой анизотропии восприимчивости магнитострикционного материала при воздействии крутящего момента , а эффект Видемана — скручивание этих материалов при воздействии на них винтового магнитного поля.
Инверсия Виллари — это изменение знака магнитострикции железа с положительного на отрицательный при воздействии магнитных полей напряженностью около 40 кА/м .
При намагничивании магнитный материал претерпевает небольшие изменения объема: порядка 10−6 .
Подобно плотности потока , магнитострикция также проявляет гистерезис в зависимости от силы намагничивающего поля. Форму этой петли гистерезиса (называемой «петлей стрекозы») можно воспроизвести с помощью модели Джайлса-Атертона . [4]
Магнитострикционные материалы могут преобразовывать магнитную энергию в кинетическую энергию или наоборот и используются для создания приводов и датчиков . Свойство может быть количественно определено магнитострикционным коэффициентом λ, который может быть положительным или отрицательным и определяется как дробное изменение длины при увеличении намагниченности материала от нуля до значения насыщения . Эффект отвечает за знакомый « электрический гул » ( ), который можно услышать вблизи трансформаторов и мощных электрических устройств.
Кобальт демонстрирует наибольшую магнитострикцию при комнатной температуре среди чистых элементов при 60 микродеформациях. Среди сплавов наибольшую известную магнитострикцию демонстрирует Terfenol-D (Ter для тербия , Fe для железа , NOL для военно-морской артиллерийской лаборатории и D для диспрозия ). Terfenol-D, Tb x Dy 1− x Fe 2 , демонстрирует около 2000 микродеформаций в поле 160 кА/м (2 кЭ) при комнатной температуре и является наиболее часто используемым инженерным магнитострикционным материалом. [5] Galfenol , Fe x Ga 1− x , и Alfer , Fe x Al 1− x , являются более новыми сплавами, которые демонстрируют 200-400 микродеформаций при более низких приложенных полях (~200 Э) и обладают улучшенными механическими свойствами по сравнению с хрупким Terfenol-D. Оба эти сплава имеют <100> легких осей для магнитострикции и демонстрируют достаточную пластичность для применения в датчиках и приводах. [6]
Другим очень распространенным магнитострикционным композитом является аморфный сплав Fe 81 Si 3.5 B 13.5 C 2 с его торговым названием Metglas 2605SC. Благоприятными свойствами этого материала являются его высокая константа насыщения-магнитострикции, λ, около 20 микродеформаций и более, в сочетании с низкой напряженностью магнитно-анизотропного поля, H A , менее 1 кА/м (для достижения магнитного насыщения ). Metglas 2605SC также демонстрирует очень сильный ΔE-эффект с уменьшением эффективного модуля Юнга примерно до 80% в объеме. Это помогает создавать энергоэффективные магнитные МЭМС . [ необходима цитата ]
Феррит кобальта , CoFe 2 O 4 (CoO·Fe 2 O 3 ), также в основном используется для магнитострикционных применений, таких как датчики и приводы, благодаря своей высокой магнитострикции насыщения (~200 частей на миллион). [7] При отсутствии редкоземельных элементов он является хорошей заменой Terfenol-D . [8] Более того, его магнитострикционные свойства можно настраивать, вызывая магнитную одноосную анизотропию. [9] Это можно сделать с помощью магнитного отжига, [10] уплотнения с помощью магнитного поля [11] или реакции под одноосным давлением. [12] Последнее решение имеет то преимущество, что оно сверхбыстрое (20 мин) благодаря использованию искрового плазменного спекания .
В ранних гидролокационных преобразователях времен Второй мировой войны никель использовался в качестве магнитострикционного материала. Чтобы компенсировать нехватку никеля, японский флот использовал железо - алюминиевый сплав из семейства Alperm .
Монокристаллические сплавы демонстрируют превосходную микродеформацию, но уязвимы к текучести из-за анизотропных механических свойств большинства металлов. Было замечено, что для поликристаллических сплавов с высокой площадью покрытия предпочтительных зерен для микродеформации механические свойства ( пластичность ) магнитострикционных сплавов могут быть значительно улучшены. Целевые этапы металлургической обработки способствуют аномальному росту зерен {011} в тонких листах галфенола и альфенола , которые содержат две легкие оси для выравнивания магнитных доменов во время магнитострикции. Этого можно добиться путем добавления частиц, таких как виды боридов [13] и карбид ниобия ( NbC ) [14], во время первоначального литья слитка в холодном состоянии .
Для поликристаллического сплава установленная формула для магнитострикции λ, полученная на основе известных измерений направленной микродеформации, выглядит следующим образом: [15]
λ s = 1/5(2λ 100 +3λ 111 )
Во время последующих этапов горячей прокатки и рекристаллизации происходит упрочнение частиц, при котором частицы вносят «закрепляющую» силу на границах зерен , которая препятствует нормальному ( стохастическому ) росту зерен на этапе отжига с помощью атмосферы H2S . Таким образом, достигается текстура , подобная монокристаллу (~90% покрытия зерен {011}), что снижает помехи с выравниванием магнитных доменов и увеличивает микродеформацию, достижимую для поликристаллических сплавов, измеряемую полупроводниковыми тензодатчиками . [16] Эти поверхностные текстуры можно визуализировать с помощью дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) или связанных с ней методов дифракции.
Для приложений актуаторов максимальное вращение магнитных моментов приводит к максимально возможному выходу магнитострикции. Это может быть достигнуто с помощью таких методов обработки, как отжиг под напряжением и отжиг в поле. Однако механические предварительные напряжения также могут быть применены к тонким листам, чтобы вызвать выравнивание перпендикулярно срабатыванию, пока напряжение ниже предела изгиба. Например, было продемонстрировано, что приложенное предварительное сжимающее напряжение до ~50 МПа может привести к увеличению магнитострикции на ~90%. Предполагается, что это происходит из-за «скачка» в начальном выравнивании доменов перпендикулярно приложенному напряжению и улучшенного конечного выравнивания параллельно приложенному напряжению. [17]
Эти материалы обычно демонстрируют нелинейное поведение при изменении приложенного магнитного поля или напряжения. Для малых магнитных полей достаточно линейного пьезомагнитного конститутивного [18] поведения. Нелинейное магнитное поведение фиксируется с помощью классической макроскопической модели, такой как модель Прейзаха [19] и модель Джайлса-Атертона. [20] Для фиксации магнитомеханического поведения Армстронг [21] предложил подход «средней энергии». Совсем недавно Вахи и др. [22] предложили вычислительно эффективную конститутивную модель, в которой конститутивное поведение фиксируется с помощью схемы «локальной линеаризации».