Войти
Магнитострикция (ср. Электрострикция ) - 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 достижения значения насыщения λ. Эффект был впервые обнаружен в 1842 году Джеймсом Джоулем при наблюдении за образцом железа.
Этот эффект вызывает потерю энергии из-за нагрева от трения в чувствительных ферромагнитных сердечниках. Эффект также отвечает за низкий гудящий звук, который можно услышать от трансформаторов, где колеблющиеся токи переменного тока создают изменяющееся магнитное поле.
Внутри ферромагнитные материалы имеют структуру, которая разделена на домены, каждый из которых представляет собой область однородной намагниченности. При приложении магнитного поля границы между доменами смещаются и они вращаются; оба эти 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 приложить магнитное поле под углом к легкой оси намагничивания, материал будет стремиться перестроить свою структуру так, чтобы легкая ось была выровнена с полем, чтобы минимизировать свободную энергию системы. Поскольку разные направления кристаллов связаны с разной длиной, этот эффект вызывает деформацию материала.
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 - это создание спиральной анизотропии восприимчивости магнитострикционного материала при воздействии крутящего момента, а эффект Видемана - это скручивание этих материалов при приложении к ним спирального магнитного поля.
Инверсия Виллари - это изменение знака магнитострикции железа с положительного на отрицательный при воздействии магнитных полей примерно 40 кА / м.
При намагничивании магнитный материал претерпевает небольшие изменения объема: порядка 10 −6.
Магнитострикционная петля гистерезиса феррита Mn-Zn для силовых приложений, измеряемая полупроводниковыми тензодатчиками Как и плотность потока, магнитострикция также имеет гистерезис в зависимости от силы намагничивающего поля. Форму этой петли гистерезиса (называемой «петлей стрекозы») можно воспроизвести с помощью модели Джайлса-Атертона.
Вырез преобразователя, содержащего: магнитострикционный материал (внутри), намагничивающую катушку и магнитный кожух, замыкающий магнитную цепь (снаружи) Магнитострикционные материалы могут преобразовывать магнитную энергию в кинетическую или наоборот, и используются для создания исполнительных механизмов и датчиков. Свойство можно количественно оценить с помощью коэффициента магнитострикции λ, который может быть положительным или отрицательным и определяется как частичное изменение длины при увеличении намагниченности материала от нуля до значения насыщения. Эффект отвечает за знакомый " электрический гул " ( Слушайте ( помощь информация )), который можно услышать возле трансформаторов и мощных электрических устройств. 
Кобальт демонстрирует самую большую магнитострикцию чистого элемента при комнатной температуре при 60 микродеформациях. Среди сплавов наивысшую известную магнитострикцию демонстрирует терфенол-D (Ter для тербия, Fe для железа, NOL для военно-морской артиллерийской лаборатории и D для диспрозия ). Терфенол-D, Tb x Dy 1-x Fe 2, проявляет около 2000 микродеформаций в поле 160 кА / м (2 кЭ) при комнатной температуре и является наиболее часто используемым магнитострикционным материалом в технике. Галфенол, Fe x Ga 1-x, и Альфер, Fe x Al 1-x, представляют собой более новые сплавы, которые демонстрируют 200-400 микродеформаций при более низких приложенных полях (~ 200 Э) и обладают улучшенными механическими свойствами по сравнению с хрупким терфенолом-D. Оба этих сплава имеют lt;100gt; легкие оси для магнитострикции и демонстрируют достаточную пластичность для применения в датчиках и исполнительных механизмах.
Схема нитевидного датчика потока, разработанного с использованием тонколистовых магнитострикционных сплавов. 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 магнитострикции насыщения 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.
Феррит кобальта, CoFe 2 O 4 (CoO Fe 2 O 3), также в основном используется для магнитострикционных применений, таких как датчики и исполнительные механизмы, благодаря своей высокой магнитострикции насыщения (~ 200 частей на миллион). В отсутствие редкоземельных элементов он является хорошей заменой Терфенол-Д. Более того, его магнитострикционные свойства можно регулировать, создавая магнитную одноосную анизотропию. Это может быть выполнено с помощью магнитного отжига, уплотнения с помощью магнитного поля или реакции под одноосным давлением. Преимущество этого последнего решения в том, что оно является сверхбыстрым (20 мин) благодаря использованию искрового плазменного спекания.
В ранних преобразователях сонара во время Второй мировой войны никель использовался в качестве магнитострикционного материала. Для того, чтобы облегчить дефицит никеля, японский флот использовал железо - алюминиевый сплав, из Alperm семьи.
Монокристаллические сплавы демонстрируют превосходную микродеформацию, но подвержены текучести из-за анизотропных механических свойств большинства металлов. Было замечено, что для поликристаллических сплавов с большой площадью покрытия зерен, предпочтительно для микродеформации, механические свойства ( пластичность ) магнитострикционных сплавов могут быть значительно улучшены. Целевые 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. Это может быть достигнуто путем добавления таких частиц, как бориды и карбид ниобия ( Nb C ), во время первоначального литья слитка в кокиль.
Для поликристаллического сплава установленная формула магнитострикции λ на основе известных измерений направленной микродеформации:
λ s = 1/5 (2λ 100 + 3λ 111)
Магнитострикционный сплав деформирован до разрушения. Во время последующих стадий горячей прокатки и рекристаллизации происходит упрочнение частиц, при котором частицы создают «закрепляющую» силу на границах зерен, которая препятствует нормальному ( стохастическому ) росту зерен на стадии отжига с помощью атмосферы H 2 S. Таким образом, можно получить монокристаллическую текстуру (покрытие зерен ~ 90% {011}), уменьшая помехи при выравнивании магнитных доменов и увеличивая микродеформации, достигаемые для поликристаллических сплавов, по измерениям полупроводниковыми тензодатчиками. Эти текстуры поверхности можно визуализировать с помощью дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) или связанных с ними методов дифракции.
Для приводов максимальное вращение магнитных моментов приводит к максимально возможной выходной магнитострикции. Это может быть достигнуто с помощью таких методов обработки, как отжиг под напряжением и отжиг в полевых условиях. Однако к тонким листам также могут применяться механические предварительные напряжения, чтобы вызвать выравнивание, перпендикулярное срабатыванию, пока напряжение ниже предела продольного изгиба. 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» в начальном выравнивании доменов перпендикулярно приложенному напряжению и улучшенного окончательного выравнивания параллельно приложенному напряжению.
Эти материалы обычно демонстрируют нелинейное поведение при изменении приложенного магнитного поля или напряжения. Для малых магнитных полей достаточно линейного пьезомагнитного конститутивного поведения. Нелинейное магнитное поведение фиксируется с помощью классической макроскопической модели, такой как модель Прейзаха и модель Джайлса-Атертона. Для регистрации магнитомеханических характеристик Армстронг предложил подход «среднего значения энергии». Совсем недавно Wahi et al. предложили вычислительно эффективную конститутивную модель, в которой конститутивное поведение фиксируется с использованием схемы «локальной линеаризации».
