Terfenol-D
Terfenol-D , stop o wzorze Tb x Dy 1− x Fe 2 ( x ≈ 0,3), jest materiałem magnetostrykcyjnym . Został pierwotnie opracowany w latach 70. XX wieku przez Naval Ordnance Laboratory w Stanach Zjednoczonych. Technologia wydajnego wytwarzania materiału została opracowana w latach 80. w Ames Laboratory w ramach programu finansowanego przez Marynarkę Wojenną Stanów Zjednoczonych. Jej nazwa pochodzi od terbu , żelaza (Fe), Naval Ordnance Laboratory (NOL), a D pochodzi od dysprozu .
Właściwości fizyczne
Stop ma najwyższą magnetostrykcję ze wszystkich stopów , do 0,002 m/m przy nasyceniu; rozszerza się i kurczy w polu magnetycznym. Terfenol-D ma dużą siłę magnetostrykcji, wysoką gęstość energii , niską prędkość dźwięku i niski moduł Younga . W swojej najczystszej postaci ma również niską ciągliwość i niską odporność na pękanie. Terfenol-D jest szarym stopem, który ma różne możliwe proporcje składników elementarnych, które zawsze są zgodne ze wzorem Tb x Dy 1− x Fe 2 . Dodatek dysprozu ułatwił wywołanie reakcji magnetostrykcyjnych, sprawiając, że stop wymagał niższego poziomu pól magnetycznych. Gdy stosunek Tb i Dy zostanie zwiększony, właściwości magnetostrykcyjne otrzymanego stopu będą działać w temperaturach tak niskich jak -200 ° C, a po zmniejszeniu mogą działać maksymalnie w temperaturze 200 ° C. Skład Terfenolu-D pozwala na uzyskanie dużego magnetostrykcji i strumienia magnetycznego , gdy przyłożone jest do niego pole magnetyczne . Ten przypadek istnieje dla szerokiego zakresu naprężeń ściskających , z tendencją do zmniejszania magnetostrykcji wraz ze wzrostem naprężenia ściskającego. Istnieje również zależność między strumieniem magnetycznym a kompresją, w której wraz ze wzrostem naprężenia ściskającego strumień magnetyczny zmienia się mniej drastycznie. Terfenol-D jest używany głównie ze względu na swoje właściwości magnetostrykcyjne, w których zmienia kształt pod wpływem pól magnetycznych w procesie zwanym namagnesowaniem . Wykazano, że magnetyczna obróbka cieplna poprawia właściwości magnetostrykcyjne terfenolu-D przy niskim naprężeniu ściskającym dla pewnych stosunków Tb i Dy.
Aplikacje
Ze względu na swoje właściwości materiałowe Terfenol-D doskonale nadaje się do produkcji podwodnej akustyki o niskiej częstotliwości i dużej mocy. Jego początkowe zastosowanie dotyczyło morskich sonarowych . Znajduje zastosowanie w czujnikach magnetomechanicznych, siłownikach oraz przetwornikach akustycznych i ultradźwiękowych ze względu na dużą gęstość energii i szerokie pasmo przenoszenia, np. w urządzeniu SoundBug (jego pierwsze komercyjne zastosowanie przez firmę FeONIC ). Jego szczep jest również większy niż w przypadku innego normalnie używanego materiału ( PZT8 ), co pozwala przetwornikom Terfenol-D osiągnąć większe głębokości podczas eksploracji oceanów niż poprzednie przetworniki. Jego niski moduł Younga powoduje pewne komplikacje z powodu kompresji na dużych głębokościach, które są przezwyciężane w konstrukcjach przetworników, które mogą osiągnąć głębokość 1000 stóp i stracić tylko niewielką ilość dokładności około 1 dB. Ze względu na duży zakres temperatur, Terfenol-D jest również przydatny w przetwornikach akustycznych o głębokich otworach, w których środowisko może osiągać wysokie ciśnienie i temperatury, takie jak otwory olejowe. Terfenol-D może być również stosowany do zaworów hydraulicznych kierowców ze względu na wysokie obciążenie i właściwości siłowe. Podobnie rozważano stosowanie siłowników magnetostrykcyjnych we wtryskiwaczach paliwa do silników Diesla ze względu na duże naprężenia, jakie mogą być wytwarzane.
Produkcja
Wzrost wykorzystania terfenolu-D w przetwornikach wymagał nowych technik produkcji, które zwiększyły tempo i jakość produkcji, ponieważ oryginalne metody były zawodne i miały niewielką skalę. Istnieją cztery metody stosowane do produkcji Terfenolu-D, którymi są topienie w strefie wolnostojącej, zmodyfikowany Bridgman, spiekany proszek i kompozyty z matrycą polimerową.
topienia w strefie wolnostojącej (FSZM) i zmodyfikowany Bridgmana (MB), umożliwiają wytwarzanie terfenolu-D, który ma wysokie właściwości magnetostrykcyjne i gęstość energii. Jednak FSZM nie może wyprodukować pręta o średnicy większej niż 8 mm ze względu na napięcie powierzchniowe terfenolu-D i fakt, że proces FSZM nie ma pojemnika ograniczającego materiał. Proces MB oferuje minimalną średnicę 10 mm i jest ograniczony tylko ze względu na ścianę zakłócającą wzrost kryształów . Obie metody tworzą stałe kryształy, które wymagają późniejszej produkcji, jeśli potrzebna jest geometria inna niż cylinder pod kątem prostym. Otrzymane stałe kryształy mają drobnoziarnistą strukturę lamelarną .
Pozostałe dwie techniki, spiekane wypraski proszkowe i kompozyty z matrycą polimerową , są oparte na proszkach. Techniki te pozwalają na uzyskanie skomplikowanej geometrii i szczegółów. Jednak rozmiar jest ograniczony do 10 mm średnicy i 100 mm długości ze względu na zastosowane formy. Otrzymane mikrostruktury tych metod opartych na proszkach różnią się od stałych kryształów, ponieważ nie mają struktury płytkowej i mają mniejszą gęstość . Jednak wszystkie metody mają podobne właściwości magnetostrykcyjne.
Ze względu na ograniczenia wielkości MB jest najlepszym procesem do produkcji terfenolu-D, jednak jest to metoda pracochłonna. Nowszym procesem, takim jak MB, jest wzrost kryształów ET-Ryma (EKG), który skutkuje większą średnicą kryształów terfenolu-D i zwiększoną wydajnością magnetostrykcyjną. Niezawodność właściwości magnetostrykcyjnych Terfenolu-D przez cały okres użytkowania materiału zwiększa zastosowanie ET-Ryma.
Terfenol-D ma pewne drobne wady, które wynikają z jego właściwości materiałowych. Terfenol-D ma niską ciągliwość i niską odporność na pękanie. Aby rozwiązać ten problem, Terfenol-D został dodany do polimerów i innych metali w celu utworzenia kompozytów. Po dodaniu do polimerów sztywność otrzymanego kompozytu jest niska. Gdy tworzy się kompozyty Terfenolu-D z ciągliwymi spoiwami metalowymi, otrzymany materiał ma zwiększoną sztywność i plastyczność przy zmniejszonych właściwościach magnetostrykcyjnych. Te kompozyty metalowe można formować przez zagęszczanie wybuchowe . W badaniu przeprowadzonym na przetwarzaniu stopów terfenolu-D otrzymane stopy utworzone przy użyciu miedzi i terfenolu-D miały zwiększoną wytrzymałość i twardość, co potwierdza teorię, że kompozyty ciągliwych spoiw metalowych i terfenolu-D dają mocniejsze i bardziej plastyczne materiał.