Терфенол-Д
Магнитострикционный сплав

Terfenol-D , сплав формулы Tb x Dy 1− x Fe 2 ( x  ≈ 0,3), является магнитострикционным материалом. Первоначально он был разработан в 1970-х годах Лабораторией военно-морского вооружения в США. Технология эффективного производства материала была разработана в 1980-х годах в Лаборатории Эймса в рамках программы, финансируемой ВМС США. [1] Он назван в честь тербия , железа (Fe), Лаборатории военно-морского вооружения (NOL), а D происходит от диспрозия .

Физические свойства

Сплав имеет самую высокую магнитострикцию среди всех сплавов , до 0,002 м/м при насыщении; он расширяется и сжимается в магнитном поле. Terfenol-D имеет большую силу магнитострикции, высокую плотность энергии , низкую скорость звука и низкий модуль Юнга . В своей наиболее чистой форме он также имеет низкую пластичность и низкое сопротивление разрушению. Terfenol-D представляет собой серый сплав, который имеет различные возможные соотношения его элементарных компонентов, которые всегда следуют формуле Tb x Dy 1− x Fe 2 . Добавление диспрозия облегчило индуцирование магнитострикционных реакций, заставив сплав требовать более низкого уровня магнитных полей. При увеличении соотношения Tb и Dy магнитострикционные свойства полученного сплава будут работать при температурах до -200 °C, а при уменьшении они могут работать при максимальной температуре 200 °C. Состав Terfenol-D позволяет ему иметь большую магнитострикцию и магнитный поток , когда к нему приложено магнитное поле . Этот случай существует для большого диапазона сжимающих напряжений , с тенденцией к уменьшению магнитострикции по мере увеличения сжимающего напряжения. Было показано (не опубликовано), что прочность на раздавливание довольно высока при определенных условиях. [2] Существует также связь между магнитным потоком и сжатием, при которой при увеличении сжимающего напряжения магнитный поток изменяется менее радикально. [3] Terfenol-D в основном используется из-за его магнитострикционных свойств, при которых он изменяет форму под воздействием магнитных полей в процессе, называемом намагничиванием . Показано, что магнитная термообработка улучшает магнитострикционные свойства Terfenol-D при низком сжимающем напряжении для определенных соотношений Tb и Dy. [4]

Приложения

Благодаря своим свойствам материала, Terfenol-D отлично подходит для использования в производстве низкочастотной, мощной подводной акустики . Первоначально он применялся в военно-морских гидроакустических системах. Он применяется в магнитомеханических датчиках, приводах , а также акустических и ультразвуковых преобразователях из-за его высокой плотности энергии и больших возможностей полосы пропускания, например, в устройстве SoundBug (первое коммерческое применение FeONIC ). Его деформация также больше, чем у другого обычно используемого материала ( PZT8 ), что позволяет преобразователям Terfenol-D достигать больших глубин для исследования океана, чем предыдущие преобразователи. [5] Его низкий модуль Юнга приводит к некоторым осложнениям из-за сжатия на больших глубинах, которые преодолеваются в конструкциях преобразователей, которые могут достигать глубины 1000 футов и терять лишь небольшую часть точности около 1 дБ. [6] Благодаря своему широкому температурному диапазону Terfenol-D также полезен в акустических преобразователях глубоких скважин, где окружающая среда может достигать высокого давления и температуры, как в нефтяных скважинах. Terfenol-D также может использоваться для приводов гидравлических клапанов из-за его высоких деформационных и силовых свойств. [6] Аналогичным образом, магнитострикционные приводы также рассматривались для использования в топливных инжекторах для дизельных двигателей из-за высоких напряжений, которые могут быть созданы. [7] Terfenol-D уникальным образом сочетает в себе ключевые характеристики, которые обеспечивают усовершенствованный впрыск дизельного топлива. Во-первых, квантово-механическое происхождение магнитострикции означает, что этот эффект не ухудшается, что придает ему прочность и долговечность. Во-вторых, он эффективно использует сжатие, доступное от давления дизельного топлива. Наконец, его механическое расширение имеет тенденцию быть пропорциональным наложенному магнитному полю, что делает положение иглы инжектора непрерывно контролируемым. Игла инжектора, непосредственно управляемая Terfenol-D, может иметь пожизненную долговечность на головке цилиндра двигателя, обеспечивая при этом беспрецедентный контроль над каждым событием впрыска на протяжении всего его срока службы. Эти свойства могут использоваться для обработки эффективности, выбросов и шума внутри цилиндра, обеспечивая при этом гибкость топлива. [8]

Производство

Увеличение использования Terfenol-D в преобразователях потребовало новых методов производства, которые увеличили производительность и качество, поскольку первоначальные методы были ненадежными и мелкомасштабными. Существует четыре метода, которые используются для производства Terfenol-D, а именно: плавление в свободной зоне, модифицированный метод Бриджмена, спеченный порошковый пресс и композиты с полимерной матрицей.

Первые два метода, плавка свободной зоны (FSZM) и модифицированный метод Бриджмена (MB), способны производить Terfenol-D, который имеет высокие магнитострикционные свойства и плотность энергии. Однако FSZM не может производить стержень диаметром более 8 мм из-за поверхностного натяжения Terfenol-D и того, что процесс FSZM не имеет контейнера для ограничения материала. Процесс MB предлагает минимальный диаметр 10 мм и ограничен только стенкой, мешающей росту кристалла . [9] Оба метода создают твердые кристаллы, которые требуют последующего производства, если требуется геометрия, отличная от прямоугольного цилиндра. Полученные твердые кристаллы имеют тонкую пластинчатую структуру . [10]

Другие два метода, спеченный порошковый компакт и полимерные матричные композиты , основаны на порошке. Эти методы позволяют создавать сложную геометрию и детализацию. Однако размер ограничен 10 мм в диаметре и 100 мм в длину из-за используемых форм. [9] Полученные микроструктуры этих методов на основе порошка отличаются от твердокристаллических, поскольку они не имеют пластинчатой ​​структуры и имеют более низкую плотность . Однако все методы имеют схожие магнитострикционные свойства. [10]

Из-за ограничений по размеру MB является лучшим процессом для производства Terfenol-D. Однако это трудоемкий метод. Более новый процесс, такой как MB, — это Etrema crystal grower (ECG), который приводит к кристаллам Terfenol-D большего диаметра и повышению магнитострикционных характеристик. Надежность магнитострикционных свойств Terfenol-D на протяжении всего срока службы материала повышается при использовании ECG. [9]

Terfenol-D имеет некоторые незначительные недостатки, которые вытекают из свойств его материала. Terfenol-D имеет низкую пластичность и низкую устойчивость к разрушению. Чтобы решить эту проблему, Terfenol-D добавляют к полимерам и другим металлам для создания композитов. При добавлении к полимерам жесткость полученного композита низкая. Когда создаются композиты Terfenol-D с пластичными металлическими связующими, полученный материал имеет повышенную жесткость и пластичность с пониженными магнитострикционными свойствами. Эти металлические композиты могут быть сформированы путем взрывного уплотнения . В исследовании, проведенном по обработке сплавов Terfenol-D, полученные сплавы, созданные с использованием меди и Terfenol-D, имели повышенные значения прочности и твердости, что подтверждает теорию о том, что композиты пластичных металлических связующих и Terfenol-D приводят к более прочному и пластичному материалу. [11]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Уилер, Скотт Л. (29.10.2002). «Шпионаж КНР приводит к войне «Терф»: следователи говорят, что Китай размещал студентов в американских университетах, чтобы получить секретную информацию об экзотическом материале, имеющем ценное промышленное и военное применение | Взгляд на газету новостей | Найти статьи на BNET». Findarticles.com. Архивировано из оригинала 16.07.2012 . Получено 08.04.2010 .
  2. ^ "Механика разрушения". Quantum Control Works, LLC . Получено 2024-12-06 .
  3. ^ "Терфенол-Д - ETREMA Products, Inc". TdVib, LLC . Получено 2018-12-01 .
  4. ^ Верховен, Дж. Д.; Остенсон, Дж. Э.; Гибсон, Э. Д.; Макмастерс, О. Д. (1989-07-15). «Влияние состава и магнитной термообработки на магнитострикцию двойниковых монокристаллов Tb x Dy 1− x Fe y ». Журнал прикладной физики . 66 (2): 772– 779. Bibcode : 1989JAP....66..772V. doi : 10.1063/1.343496. ISSN  0021-8979.
  5. ^ Хоуцин, Чжу; Цзяньго, Лю; Сюжун, Ван; Яньхун, Син; Хунпин, Чжан (1 августа 1997 г.). «Применение Терфенола-Д в Китае». Журнал сплавов и соединений . 258 ( 1–2 ): 49–52 . doi :10.1016/S0925-8388(97)00068-6. ISSN  0925-8388.
  6. ^ ab "Конструкции преобразователей и приводов на основе терфенола-D компании Active Signal Technologies". www.activesignaltech.com . Получено 09.12.2018 .
  7. ^ "Патент на топливный инжектор" . Получено 2011-02-18 .
  8. ^ Брайт, Чарльз Б. (2024). «Закон управления для быстрых, незвонких переходных процессов для приводов игл прямого впрыска и других динамических систем». Серия технических документов SAE. doi :10.4271/2024-01-5007 . Получено 2024-12-06 .
  9. ^ abc Snodgrass, Jonathan D.; McMasters, OD (1997-08-01). "Оптимизированные процессы производства TERFENOL-D". Журнал сплавов и соединений . 258 ( 1– 2): 24– 29. doi :10.1016/S0925-8388(97)00067-4. ISSN  0925-8388.
  10. ^ ab Иссинду, Валентин; Виала, Б.; Химено, Л.; Кугат, О.; Радо, К.; Буат, С. (2017-08-08). "Методы изготовления высокопроизводительных миниатюрных дисков терфенола-D для сбора энергии". Труды . 1 (4): 579. doi : 10.3390/proceedings1040579 . ISSN  2504-3900.
  11. ^ Guruswamy, S.; Loveless, MR; Srisukhumbowornchai, N.; McCarter, MK; Teter, JP (2000). «Обработка магнитострикционных композитов на основе сплава Terfenol-D методом динамического уплотнения». IEEE Journals & Magazine . 36 (5): 3219– 3222. Bibcode : 2000ITM....36.3219G. doi : 10.1109/20.908745.
  • http://tdvib.com/terfenol-d/
  • https://www.qcwlc.us
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Терфенол-Д&oldid=1261776932"