MATERIAŁY MAGNETOSTRYKCYJNE
(MAGNETOSTRICTIVE MATERIALS)

Materiały magnetostrykcyjne (MM) należą do grupy materiałów inteligentnych, które przekształcają energię magnetyczną w energię odkształcenia sprężystego.

Materiały magnetostrykcyjne

Ze względu na odwracalność zjawiska MM mogą służyć jako aktuatory i czujniki. Ponieważ magnetostrykcja jest samoistną właściwością materiału magnetycznego, z czasem nie ulega ona degradacji. Najnowsze MM zapewniają odkształcenia, siły i energie skutecznie konkurujące z materiałami piezoelektrycznymi. Natura zjawiska magnetostrykcji leży w zmianie wymiarów liniowych materiału pod wpływem zmiany  namagnesowania. Jej źródłem jest magnetyczne sprzężenie momentu spinowego i orbitalnego elektronów. W niektórych materiałach, materiałach dużej anizotropii magnetokrystalicznej, moment orbitalny jest dodatkowo sprzężony z siecią krystaliczną. Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego moment spinowy podąża za jego kierunkiem, pociągając za sobą wektor momentu orbitalnego. Ten z kolei jest sprzężony z siecią krystaliczną, co napotyka duży opór materiału. Przy odpowiednio dużych polach magnetycznych prowadzi to do odkształcenia sieci, czyli magnetostrykcji.

Zjawiskiem odwrotnym do magnetostrykcji jest efekt Villariego, zwany też magnetomechanicznym. Polega on na zmianie namagnesowania pod wpływem jednoosiowego naprężenia i obejmuje przemianę energii mechanicznej odkształcenia sprężystego sprężystego magnetyczną. Znajduje on głównie zastosowanie w sensorach drgań i przemieszczeń. W materiałach magnetostrykcyjnych występuje jeszcze szereg innych użytecznych zjawisk, jak np. efekt zmiany modułu Younga, proporcjonalnej do zmiany pola magnetycznego, zjawisko Widemanna - spiralnego namagnesowania w pierścieniach magnetycznych, w przypadku superpozycji namagnesowań prostopadłego i równoległego do jego osi, efekt Birkhausena - skokowy wzrost namagnesowania.

Zjawisko magnetostrykcji po raz pierwszy zaobserwował J.P. Joule w 1842 roku dla żelaza. Magnetostrykcję wykazują także Ni, Co oraz ich stopy. Jednak magnetostrykcja tych materiałów jest rzędu , podczas gdy najnowsze stopy osiągają wartości 60 razy większe, rzędu . Przełom w opracowaniu nowych materiałów zostało siągnięty w 1963 roku, gdy A.E. Clark zastosował pierwiastki ziem rzadkich Tb i Dy. Zapoczątkowało to nową grupę materiałów materiałów gigantycznej magnetostrykcji, wykazywana przez te materiały, rzędu , występowała jedynie w temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu. Modyfikacja składu chemicznego, przez dodatki innych pierwiastków, pozwoliła przesunąć punkt Curie w obszar temperatur pokojowych. Stopy te jednak charakteryzowała początkowo duża anizotropia magnetokrystaliczna, co wymagało stosowania dużych pól magnetycznych. W najnowszych materiałach, materiałach których Tb został częściowo zastąpiony przez Dy, parametry te uległy polepszeniu. Materiały GMM wykazują liniową magnetostrykcję rzędu 0,2% oraz mogą przenosić obciążenia 500-600 MPa. W odróżnieniu od materiałów konwencjonalnych również ich czas odpowiedzi na sygnał magnetyczny jest bardzo krótki, rzędu sekundy. Inne atrybuty GMM to mała impedancja i możliwość bezkontaktowego dostarczania energii.

Kolejną grupę materiałów magnetostrykcyjnych stanowią amorficzne stopy żelaza, niklu i kobaltu z krzemem, borem i fosforem. Materiały te stosowane są głównie jako czujniki odkształcenia.

Otrzymywanie MM obejmuje wiele nowoczesnych technik wytwarzania. Niektóre z nich bazują na kosztochłonnej metodzie kierunkowej krystalizacji. Metoda ta polega na topieniu stopu w tyglu ceramicznym, a następnie wlewaniu go, przez otwór w dnie, do nagrzanej formy. Inne techniki wykorzystują procesy otrzymywania amorficznych i krystalicznych cienkich warstw. Metoda metalurgii proszków pozwala na masową produkcję małych wyrobów o skomplikowanych kształtach.
Materiały magnetostrykcyjne wymagają także, w końcowym etapie, zastosowania procesów obróbki mechanicznej.

Zjawiska magnetostrykcji oraz odwrotny efekt Villariego znajdują zastosowanie jako aktuatory i sensory, m.in. w sonarach, czujnikach sejsmicznych, tomografii geologicznej, zaworach hydraulicznych układów wtrysku paliwa, pompach hydraulicznych, lustrach o zmiennej geometrii, urządzeniach do odgazowywania przy wulkanizacji gumy, przemysłowym myciu ultradźwiękowym, sensorach ruchu, siły i pola magnetycznego. Główną niedogodnością stosowania MM jest konieczność użycia cewki i obwodu magnetycznego, co zwiększa gabaryty urządzenia i obniża i konkurencyjność stosunku do materiałów piezoelektrycznych i elektrostrykcyjnych. Stosowane są one zatem głównie tam, gdzie są wymagane duże odkształcenia i siły, a gabaryty odgrywają mniejszą rolę.

Przykładem zastosowania MM jako sensora jest czujnik drgań. Wykorzystuje on MM w postaci prętów otoczonych cewkami pomiarowymi. Wykorzystuje się tu zjawisko generowania zmiennego napięcia elektrycznego w cewkach pomiarowych pod wpływem pola magnetycznego, wywołanego przez naprężenia w doznającym drgań MM.

Materiał magnetostrykcyjny może być także czujnikiem siły statycznej lub ciśnienia. W tym przypadku wykorzystywana jest zmiana modułu Younga w momencie, gdy MM przechodzi ze stanu pracy w obwodzie magnetycznym otwartym do zamkniętego. Zależność ta jest rejestrowania przez cewkę pomiarową nawiniętą wokół pręta z MM. Nacisk siły zewnętrznej powoduje zamknięcie obwodu magnetycznego i zmianę charakteru zależności naprężenie-napięcie. Kolejnym przykładem sensora może być czujnik momentu skręcającego, który wykorzystuje zjawisko Widemanna. Wykonany metodą metalurgii proszków sensor z MM ma kształt pierścienia. Cewki pomiarowe mierzą pole prostopadłe i równoległe do jego osi.

Oryginalnym zastosowaniem MM jest jego użycie w generatorze mocy zdolnym do magazynowania energii w kondensatorze. Dynamiczne działanie siły na nabiegunnik, zamontowany na pręcie z MM, powoduje generowanie napięcia elektrycznego w cewce pomiarowej. Ponieważ jest to napięcie stałe, wymagane jest dodatkowe zastosowanie generatora częstości, zanim zostanie ono zmagazynowane w kondensatorze. Sprawność takiego generatora wynosi aktualnie 5%.
Wśród innych zastosowań MM, wykorzystujących przemieszczenie i siłę oddziaływania, można wymienić inteligentne skrzydła samolotu, zdolne do zmiany kształtu w zależności od prędkości lotu i przez to oszczędności paliwa. Skrzydło takie zawiera szkielet z MM.

Materiał magnetostrykcyjny rozszerzający się i kurczący cyklicznie, w połączeniu w tłokiem, wykorzystywano do budowy pompy, do pompowania bardzo małych objętości cieczy.

MM mogą także tłumić drgania, np. w konstrukcjach lotniczych lub je wywoływać, np. dla potrzeb generowania ultradźwięków, w zastosowaniach do narzędzi chirurgicznych lub urządzeń akustycznych.