Materiale Magnetostictive

Generalități

Materialele magnetostrictive sunt utilizate pe scara larga în diverse domenii tehnologice. Aceste materiale pot fi utilizate ca senzori magnetomecanici, tranductori, linii de întârzâiere, memorii magnetice,benzi de înregistrare etc. Istoria materialelor magnetostrictive este relativ veche si este paralela cu istoria materialelor magnetice deoarece majoritatea materialelor magnetice sunt si magnetostrictive (îsi modifica dimensiunile sub actiunea unui câmp magnetic exterior). În anul 1842 Joule descopera pentru prima data fenomenul de magnetostrictiune la nichel, iar în anul 1865 Villari descopera efectul magnetostrictiv invers.

Fenomenul magnetostrictiv poate fi explicat prin următorul fenomen: o bara din material feromagnetic isi modifica dimensiunile sub actiunea unui camp magnetic extern. Efectul magnetostrictiv este un efect par deoarece semnul deformatiei nu se schimba la variatia sensului campului magnetic. Intr-un material ferromagnetic, magnetostrictiunea se manifesta in interiorul fiecarui domeniu magnetic datorita deformarii spontane a retelei cristaline in directia vectorului magnetizarii spontane, dar din cauza orientarii haotice a domeniilor deformarea medie este nula. In momentul aplicari unui camp magnetic, prin orientarea domeniilor pe directia campului apare o deformare neta a probei.

Proprietatile dinamice ale materialelor magnetostrictive se obtin din conditia ca forta de magnetostrictiume Fm , forta elestica interna Fi si forta inertiala externa a mediului F sa se echilibreze.

Materialele magnetostrictive se impart in doua categorii:

- Materiale magnetostrictive metalice

- Materiale magnetostrictive ceramice.

Dintre materialele metalice cel mai des utilizate sunt: nichelul, aliajele de nichel si aluminiu, de fier si aluminiu, de fier si nichel si aliaje de fier si cobalt. Acestea sunt fabricate sub forma unor benzi laminate la rece, precum si sub forma de tuburi. Ceramicile magnetostrictive sunt ferite din pulberi de oxizi de fier, zinc, nichel, mangan, cobalt, omogenizate, presate in forme si dimensiunile dorite si sinterizate la temperature de aproximativ 1300 – 1400oC. Materialele magnetostrictve metalice sunt utilizate frecvent in traductoare, datorita rezistentei mari la solicitari mecanice si temperaturi Curie ridicate.

Aceste fenomene nu si-au gasit aplicatii practice pâna când nu au fost descoperite (1963) materiale cu magnetostrictiune mare (1000ppm) precum pamânturile rare Tb, Dy, dar care au temperaturi Curie relativ mici si a unor aliaje între pamânturile rare si Fe (TbFe2, SmFe2) sau între pamânturile rare si Ni sau Co (1971-1972) [5] care prezinta temperaturi Curie mai mari decât cea a mediului ambiant. Unii dintre acesti compusi prezinta temperaturi Curie mult mai ridicate (pâna la 1000 K), însa magnetostrictiunea lor la 25°C are valori moderate. Compusii de tip Laves (TbFe2 Terfenol, SmFe2) prezinta magnetostrictiuni gigant

la temperatura camerei dar se satureaza magnetic în câmpuri magnetice extrem de mari (8MA/m) (cu doua ordine de marime mai mari decât câmpul magnetic necesar pentru a se obtine magnetostrictiunea de saturatie a Ni sau Fe). A.E. Clark si Colab propun un material care sa combine o magnetostrictiune gigant si o anizotropie magnetica moderata.

În anul 1994 s-au preparat materiale compozite formate din doua faze: Terfenol D înglobat în matricea unui polimer, apoi în 1998 este descoperit Galfenolul (Fe-Ga, Fe-Al) de asemenea un material cu magnetostrictiune importanta. În 2002 au fost create materiale compozite particulate orientate cu magnetostrictiune importanta iar în prezent cercetarile sunt axate pe dezvoltarea de materiale magnetoelectrice.

Magnetostricţiunea apare în toate materialele magnetice ca efect al magnetizării acestora, fenomenul fiind observat chiar şi în materialele paramagnetice şi se manifestă prin modificarea dimensiunilor acestora. Uneori, magnetostricţiunea este în detrimentul unor aplicaţii practice ale materialelor magnetice, întrucât tinde să împiedice procesele de magnetizare şi să crească valorile câmpului coercitiv şi pierderile prin histerezis magnetic. Ca urmare, este indicat ca apariţia fenomenului de magnetostricţiune să fie evitată sau minimalizată în aplicaţii cum ar fi capuri de înregistrare magnetică şi transformatoare electrice.

Pe de altă parte, materialele cu magnetostricţiune mare (respectiv gigant) sunt utilizate cu succes în senzori şi actuatori, datorită variaţiei magnetizaţiei în funcţie de tensiunile mecanice externe aplicate şi respectiv variaţiei dimensiunilor geometrice în funcţie de câmpul magnetic aplicat.

Din punct de vedere fenomenologic, magnetostricţiunea poate fi de două tipuri:

1) magnetostricţiune spontană, care apare într-un material cu proprietăţi magnetice atunci când acesta este răcit în câmp magnetic extern nul, la temperaturi mai mici decât temperatura Curie. Materialul trece din starea paramagnetică intr-o stare ordonată magnetic cu structură caracteristică de domenii magnetice;

2) magnetostricţiune indusă, care apare ca rezultat al reorientării domeniilor magnetice la aplicarea unui câmp magnetic extern.

Din punct de vedere al aplicaţiilor, magnetostricţiunea indusă este cea care determină alegerea unui anumit tip de material magnetostrictiv. Magnetostricţiunea liniară, X, apare pentru o magnetizare a materialului mai mică decât cea de saturaţie, şi este definită ca modificarea relativă în lungime a materialului sub influenţa unui câmp magnetic extern. Dacă valoarea câmpului magnetic aplicat eşantionului creşte până la valori comparabile cu cele necesare pentru a se ajunge la saturaţi.