Магнитострикция — это свойство магнитных материалов , которое заставляет их изменять свою форму или размеры в процессе намагничивания . Изменение намагниченности материалов под действием приложенного магнитного поля изменяет магнитострикционную деформацию до достижения значения насыщения λ. Эффект был впервые обнаружен в 1842 году Джеймсом Джоулем при наблюдении образца железа . [1]
Магнитострикция применяется к магнитным полям, а электрострикция — к электрическим полям.
Магнитострикция вызывает потерю энергии из-за фрикционного нагрева чувствительных ферромагнитных сердечников, а также ответственна за низкий гудящий звук, который можно услышать в трансформаторах, где переменные токи создают изменяющееся магнитное поле. [2]
Внутри ферромагнитные материалы имеют структуру, разделенную на домены , каждый из которых представляет собой область однородной намагниченности. При приложении магнитного поля границы между доменами смещаются и 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 ; для намагничивания кристаллического материала в одном направлении требуется больше энергии, чем в другом. Если к материалу прикладывается магнитное поле под углом к легкой оси намагничивания, материал будет стремиться перестроить свою структуру так, что легкая ось будет совмещена с полем, чтобы минимизировать свободную энергию системы. Поскольку разные направления кристаллов связаны с разной длиной, этот эффект вызывает деформацию материала . [3]
Обратный эффект — изменение магнитной восприимчивости (отклика на приложенное поле) материала при воздействии механического напряжения — называется эффектом Виллари . Два других эффекта связаны с магнитострикцией: эффект Маттеуччи - создание спиральной анизотропии восприимчивости магнитострикционного материала при воздействии крутящего момента и эффект Видемана - скручивание этих материалов при приложении к ним спирального магнитного поля.
Обращение Виллари — это изменение знака магнитострикции железа с положительного на отрицательный при воздействии магнитного поля силой примерно 40 кА/м .
При намагничивании магнитный материал претерпевает изменения в объеме, которые невелики: порядка 10 -6 .
Как и плотность потока , магнитострикция также демонстрирует 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 . Это свойство можно количественно оценить с помощью коэффициента магнитострикции λ, который может быть положительным или отрицательным и определяется как дробное изменение длины при увеличении намагниченности материала от нуля до значения насыщения . Эффект вызывает знакомый « электрический гул » ( ⓘ ), который можно услышать возле трансформаторов и электрических устройств большой мощности.
Кобальт демонстрирует самую большую магнитострикцию чистого элемента при комнатной температуре при 60 микродеформациях. Среди сплавов самую высокую известную магнитострикцию демонстрирует Терфенол-D (Ter для тербия , Fe для железа , NOL для Военно-морской артиллерийской лаборатории и D для диспрозия ). Терфенол-Д, 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] Галфенол , Fe x Ga 1- x , и Альфер , Fe x Al 1- x , представляют собой более новые сплавы, которые демонстрируют микродеформации 200-400 при меньших приложенных полях (~ 200 Э) и обладают улучшенными механическими свойствами по сравнению с хрупким терфенол-х. Д. Оба этих сплава имеют <100> простых осей магнитострикции и демонстрируют достаточную пластичность для применения в датчиках и исполнительных механизмах. [6]
Другим очень распространенным магнитострикционным композитом является аморфный сплав Fe 81 Si 3,5 B 13,5 C 2 с торговым названием Metglas 2605SC. Благоприятными свойствами этого материала являются его высокая константа насыщения-магнитострикции λ, составляющая около 20 микродеформаций и более, в сочетании с низкой напряженностью поля магнитной анизотропии H A менее 1 кА/м (для достижения магнитного насыщения ). Metglas 2605SC также демонстрирует очень сильный ΔE-эффект со снижением эффективного модуля Юнга примерно до 80% в массе. Это помогает создавать энергоэффективные магнитные МЭМС . [ нужна цитата ]
Феррит кобальта CoFe 2 O 4 (CoO·Fe 2 O 3 ) также в основном используется в магнитострикционных приложениях, таких как датчики и исполнительные механизмы, благодаря своей высокой магнитострикции насыщения (~ 200 частей на миллион) . [7] При отсутствии редкоземельных элементов является хорошей заменой Терфенола-Д . [8] Более того, его магнитострикционные свойства можно регулировать, 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] Преимущество последнего решения заключается в том, что оно работает сверхбыстро (20 минут) благодаря использованию искрового плазменного спекания .
В первых гидролокаторах во время Второй мировой войны никель использовался в качестве магнитострикционного материала. Чтобы смягчить дефицит никеля, японский флот использовал железо - алюминиевый сплав семейства Альперм .
Монокристаллические сплавы демонстрируют превосходную микродеформацию, но подвержены текучести из-за анизотропных механических свойств большинства металлов. Замечено, что для поликристаллических сплавов с большой площадью покрытия предпочтительных для микродеформаций зерен механические свойства ( пластичность ) магнитострикционных сплавов могут быть значительно улучшены. Целенаправленные этапы металлургической обработки способствуют аномальному росту зерен {011} в тонких листах гальфенола и альфенола , которые содержат две простые оси для выравнивания магнитных доменов во время магнитострикции. Этого можно достичь путем добавления таких частиц, как бориды [ 13] и карбид ниобия ( NbC ) [14] во время первоначальной отливки слитка в кокиль .
Для поликристаллического сплава установленная формула магнитострикции λ, полученная на основе известных измерений направленной микродеформации, выглядит следующим образом: [15]
λ s = 1/5(2λ 100 +3λ 111 )
Во время последующих стадий горячей прокатки и рекристаллизации происходит упрочнение частиц, при котором частицы создают силу «закрепления» на границах зерен , которая препятствует нормальному ( стохастическому ) росту зерен на стадии отжига, которому способствует атмосфера H 2 S. Таким образом, достижима текстура, подобная монокристаллу (~ 90% покрытия зерен {011}), уменьшающая помехи при выравнивании магнитных доменов и увеличивающая микродеформацию, достижимую для поликристаллических сплавов, измеренную полупроводниковыми тензодатчиками . [16] Эти текстуры поверхности можно визуализировать с помощью дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) или родственных методов дифракции.
Для приводов максимальное вращение магнитных моментов приводит к максимально возможной мощности магнитострикции. Этого можно достичь с помощью таких методов обработки, как отжиг под напряжением и полевой отжиг. Однако механические предварительные напряжения также могут быть применены к тонким листам, чтобы обеспечить выравнивание перпендикулярно приведению в действие, пока напряжение ниже предела потери устойчивости. Например, было продемонстрировано, что приложенное предварительное напряжение сжатия до ~50 МПа может привести к увеличению магнитострикции на ~90%. Предполагается, что это происходит из-за «скачка» начального выравнивания доменов, перпендикулярного приложенному напряжению, и улучшения окончательного выравнивания, параллельного приложенному напряжению. [17]
Эти материалы обычно демонстрируют нелинейное поведение при изменении приложенного магнитного поля или напряжения. Для малых магнитных полей достаточно линейного пьезомагнитного конститутивного поведения [18] . Нелинейное магнитное поведение фиксируется с помощью классической макроскопической модели, такой как модель Прейзаха [19] и модель Джайлса-Атертона. [20] Для регистрации магнитомеханического поведения Армстронг [21] предложил подход «среднего значения энергии». Совсем недавно Wahi et al. [22] предложили вычислительно эффективную конститутивную модель, в которой конститутивное поведение фиксируется с использованием схемы «локальной линеаризации».