Введение

Свойство материалов, вызывающее изменение их формы при намагничивании. Магнитострикция – это свойство магнитных материалов, которое приводит к изменению их формы или размеров в процессе намагничивания. Изменение магнитной проницаемости материалов под воздействием магнитного поля изменяет магнитостриктивное напряжение до достижения значения насыщения, λ. Эффект был впервые обнаружен в 1842 году Джеймсом Джоулем при наблюдении образца железа. Магнитострикция относится к магнитным полям, а электрострикция – к электрическим полям. Магнитострикция вызывает потери энергии из-за нагрева, вызванного внутренним трением в восприимчивых ферромагнитных сердечниках, а также является причиной низкочастотного гудящего звука, который можно услышать от трансформаторов, где переменные токи создают изменяющееся магнитное поле.

Пояснение

Внутренне ферромагнитные материалы имеют структуру, разделенную на домены, каждый из которых является областью с однородной намагниченностью. При приложении магнитного поля границы между доменами смещаются, а сами домены вращаются; оба этих эффекта приводят к изменению размеров материала. Причина, по которой изменение магнитных доменов в материале вызывает изменение его размеров, заключается в магнитокристаллической анизотропии: для намагничивания кристаллического материала в одном направлении требуется больше энергии, чем в другом. Если магнитное поле приложено к материалу под углом к оси легкого намагничивания, материал будет стремиться перестроить свою структуру таким образом, чтобы ось легкого намагничивания совпала с направлением поля, минимизируя свободную энергию системы. Поскольку различным кристаллическим направлениям соответствуют различные длины, этот эффект вызывает деформацию в материале. Обратным эффектом, изменением магнитной восприимчивости (ответом на приложенное поле) материала при механическом напряжении, является эффект Виллари. Два других эффекта связаны с магнитострикцией: эффект Маттеуччи – это создание спиральной анизотропии восприимчивости магнитостриктивного материала при воздействии крутящего момента, а эффект Видемана – скручивание этих материалов при воздействии спирального магнитного поля. Реверс Виллари – это изменение знака магнитострикции железа с положительного на отрицательный при воздействии магнитных полей около 40 кА/м. При намагничивании магнитный материал испытывает небольшие изменения объема: порядка 10−6.

Магнитностриктивная гистерезисная петля

Как и плотность магнитного потока, магнитострикция также демонстрирует гистерезис в зависимости от напряженности магнитного поля. Форма этой петли гистерезиса (называемой "петлей стрекозы") может быть воспроизведена с использованием модели Джайлса — Атертона.

Магнитостриктивные материалы

Магнитостриктивные материалы могут преобразовывать магнитную энергию в кинетическую энергию или наоборот и используются для создания приводов и датчиков. Это свойство можно количественно оценить с помощью магнитостриктивного коэффициента λ, который может быть положительным или отрицательным и определяется как относительное изменение длины при увеличении намагниченности материала от нуля до значения насыщения. Эффект является причиной хорошо известного "электрического гула", который можно услышать вблизи трансформаторов и мощного электрооборудования. Кобальт демонстрирует наибольшую магнитострикцию при комнатной температуре среди чистых элементов – 60 микродеформаций. Среди сплавов наибольшую известную магнитострикцию проявляет Терфенол D (Ter – тербий, Fe – железо, NOL – Naval Ordnance Laboratory и D – диспрозий). Терфенол D, Tb{x}Dy{1−x}Fe2, демонстрирует около 2000 микродеформаций в поле 160 кА/м (2 кОэ) при комнатной температуре и является наиболее часто используемым инженерным магнитостриктивным материалом. Гальфенол, Fe{x}Ga{1−x}, и Альфер, Fe{x}Al{1−x}, – более новые сплавы, демонстрирующие 200–400 микродеформаций при более низких приложенных полях (~200 Ое) и обладающие улучшенными механическими свойствами по сравнению с хрупким Терфенолом D. Оба этих сплава имеют оси легкого намагничивания <100> для магнитострикции и демонстрируют достаточную пластичность для применения в датчиках и приводах. Другим распространенным магнитостриктивным композитом является аморфный сплав Fe81Si{3.5}B{13.5}C2, известный под торговым названием Metglas 2605SC. Благоприятными свойствами этого материала являются его высокая константа магнитострикции насыщения λ, около 20 микродеформаций и более, в сочетании с низкой силой поля магнитной анизотропии HA, менее 1 кА/м (для достижения магнитной насыщенности). Metglas 2605SC также проявляет сильный ΔE-эффект, приводящий к снижению эффективного модуля Юнга до 80% в объеме. Это способствует созданию энергоэффективных магнитных МЭМС. Кобальт-феррит, CoFe2O4 (CoO·Fe2O3), также в основном используется в магнитостриктивных приложениях, таких как датчики и приводы, благодаря его высокой магнитострикции насыщения (~200 частей на миллион). В отсутствие редкоземельных элементов он является хорошей заменой Терфенолу D. Кроме того, его магнитостриктивные свойства можно регулировать, индуцируя магнитную одноосную анизотропию. Это можно сделать с помощью магнитного отжига, компактирования в магнитном поле или реакции под одноосным давлением. Последнее решение имеет преимущество в виде высокой скорости (20 мин) благодаря использованию искровой плазменной спекания. В ранних гидролокационных датчиках времен Второй мировой войны в качестве магнитостриктивного материала использовался никель. Чтобы смягчить дефицит никеля, японский флот использовал железо-алюминиевый сплав из семейства Альперм.

Сжатие напряжения для получения выравнивания домена

Для применений в приводах максимальное вращение магнитных моментов обеспечивает максимально возможный магнитострикционный эффект. Этого можно достичь с помощью методов обработки, таких как отжиг при напряжении и отжиг в магнитном поле. Однако к тонким листам также можно прикладывать механические предварительные напряжения для индуцирования выравнивания перпендикулярно направлению действия, при условии, что напряжение не превышает предел потери устойчивости. Например, было показано, что приложенное предварительное сжимающее напряжение до ~50 МПа может привести к увеличению магнитострикции примерно на ~90%. Это объясняется предполагаемым "скачком" в начальном выравнивании доменов перпендикулярно приложенному напряжению и улучшенным конечным выравниванием параллельно приложенному напряжению.

Конструктивное поведение магнитостриктивных материалов

Эти материалы обычно демонстрируют нелинейное поведение при изменении приложенного магнитного поля или напряжения. Для небольших магнитных полей достаточно линейного пьезомагнитного конституционного поведения. Нелинейное магнитное поведение описывается с помощью классических макроскопических моделей, таких как модель Прейсаха и модель Джайлса-Атертона. Для описания магнитомеханического поведения Армстронг предложил подход, основанный на "усреднении энергии". В последнее время Вахи и др. предложили вычислительно эффективную конституционную модель, в которой конституционное поведение описывается с использованием схемы "локальной линеаризации".