Терфенол-Д
Терфенол-Д , сплав формулы Tb x Dy 1− x Fe 2 ( x ≈ 0,3) – магнитострикционный материал. Первоначально он был разработан в 1970-х годах Военно-морской артиллерийской лабораторией 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), Военно-морской артиллерийской лаборатории (NOL), а буква D происходит от диспрозия .
Физические свойства
[ редактировать ]Сплав имеет самую высокую магнитострикцию среди всех сплавов — до 0,002 м/м при насыщении; он расширяется и сжимается в магнитном поле. Терфенол-Д обладает большой силой магнитострикции, высокой плотностью энергии , низкой скоростью звука и низким модулем Юнга . В самой чистой форме он также имеет низкую пластичность и низкое сопротивление разрушению. Терфенол-Д представляет собой серый сплав, имеющий различные возможные соотношения элементарных компонентов, которые всегда следуют формуле Tb x Dy 1− x Fe 2 . Добавление диспрозия облегчило индукцию магнитострикционных реакций, поскольку для сплава требуется более низкий уровень магнитных полей. Когда соотношение Tb и Dy увеличивается, магнитострикционные свойства полученного сплава будут действовать при температурах до -200 ° C, а при уменьшении - максимум при 200 ° C. Состав Терфенола-Д позволяет ему иметь большую магнитострикцию и магнитный поток при магнитного поля приложении к нему . Этот случай существует для широкого диапазона сжимающих напряжений с тенденцией к уменьшению магнитострикции по мере увеличения сжимающего напряжения. Существует также связь между магнитным потоком и сжатием, при которой при увеличении сжимающего напряжения магнитный поток изменяется менее резко. [2] Терфенол-Д в основном используется из-за его магнитострикционных свойств, при которых он меняет форму под воздействием магнитных полей в процессе, называемом намагничиванием . Показано, что магнитотермическая обработка улучшает магнитострикционные свойства Терфенола-Д при низких сжимающих напряжениях при определенных соотношениях Tb и Dy. [3]
Приложения
[ редактировать ]Благодаря своим свойствам материала Терфенол-Д отлично подходит для использования в производстве низкочастотной и мощной подводной акустики . Первоначальное его применение было в военно-морских гидроакустических системах. Он находит применение в магнитомеханических датчиках, исполнительных механизмах , а также акустических и ультразвуковых преобразователях благодаря своей высокой плотности энергии и широкой полосе пропускания, например, в устройстве SoundBug (первое коммерческое применение компании FeONIC ). Его деформация также больше, чем у другого обычно используемого материала ( PZT8 ), что позволяет датчикам Terfenol-D достигать больших глубин для исследований океана, чем датчики прошлых лет. [4] Низкий модуль Юнга создает некоторые сложности из-за сжатия на больших глубинах, которые преодолеваются в конструкциях преобразователей, которые могут достигать глубины 1000 футов и терять лишь небольшую точность, около 1 дБ. [5] Благодаря своему широкому температурному диапазону Терфенол-Д также полезен в акустических преобразователях для глубоких скважин, где окружающая среда может достигать высокого давления и температуры, например, в нефтяных скважинах. Терфенол-Д также может использоваться в приводах гидравлических клапанов из-за его высоких деформационных и силовых свойств. [5] Аналогичным образом, магнитострикционные приводы также рассматривались для использования в топливных форсунках дизельных двигателей из-за высоких напряжений, которые могут возникнуть. [6]
Производство
[ редактировать ]Увеличение использования Терфенола-Д в датчиках потребовало новых технологий производства, которые увеличили производительность и качество, поскольку оригинальные методы были ненадежными и имели небольшой масштаб. Существует четыре метода, которые используются для производства Терфенола-Д: плавление в свободной зоне, модифицированный Бриджмен, прессовка спеченного порошка и композиты с полимерной матрицей.
Первые два метода, плавка в свободной зоне (FSZM) и модифицированный Бриджмен (MB), позволяют получать терфенол-Д, обладающий высокими магнитострикционными свойствами и плотностью энергии. Однако FSZM не может производить стержень диаметром более 8 мм из-за поверхностного натяжения Терфенола-Д и отсутствия контейнера для ограничения материала в процессе FSZM. Процесс MB предполагает размер минимум 10 мм в диаметре и ограничен только стенкой, мешающей росту кристаллов . [7] Оба метода создают твердые кристаллы, которые требуют более позднего изготовления, если требуется геометрия, отличная от прямоугольного цилиндра. Полученные твердые кристаллы имеют тонкую пластинчатую структуру . [8]
Два других метода — прессовка спеченного порошка и композиты с полимерной матрицей — основаны на порошках. Эти методы позволяют создавать сложную геометрию и детализацию. Однако размер ограничен 10 мм в диаметре и 100 мм в длине из-за используемых форм. [7] Получаемые в результате этих порошковых методов микроструктуры отличаются от твердокристаллических тем, что не имеют пластинчатой структуры и имеют меньшую плотность . Однако все методы обладают схожими магнитострикционными свойствами. [8]
Из-за ограничений по размеру МБ является лучшим способом производства Терфенола-Д, однако это трудоемкий метод. Более новый процесс, такой как MB, - это рост кристаллов ET-Ryma (ECG), который приводит к образованию кристаллов Терфенола-D большего диаметра и повышению магнитострикционных характеристик. Надежность магнитострикционных свойств Терфенола-Д на протяжении всего срока службы материала повышается за счет использования ЭТ-Рыма. [7]
Терфенол-Д имеет некоторые незначительные недостатки, связанные со свойствами его материала. Терфенол-Д обладает низкой пластичностью и низким сопротивлением разрушению. Чтобы решить эту проблему, Терфенол-Д добавляли к полимерам и другим металлам для создания композитов. При добавлении к полимерам жесткость полученного композита низкая. При создании композитов Терфенола-Д с пластичными металлическими связующими полученный материал обладает повышенной жесткостью и пластичностью при пониженных магнитострикционных свойствах. Эти металлокомпозиты могут быть получены методом взрывного уплотнения . В исследовании, проведенном по обработке сплавов Терфенола-Д, полученные сплавы, созданные с использованием меди и Терфенола-Д, имели повышенные значения прочности и твердости, что подтверждает теорию о том, что композиты из пластичных металлических связующих и Терфенола-Д приводят к более прочным и пластичным материалам. материал. [9]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Уиллер, Скотт Л. (29 октября 2002 г.). «Шпионаж КНР ведет к войне «Терф»: следователи говорят, что Китай отправил студентов в американские университеты, чтобы получить секретную информацию об экзотическом материале, имеющем ценное промышленное и военное применение | Insight on the News Newspaper | Найдите статьи на BNET» . Findarticles.com. Архивировано из оригинала 16 июля 2012 г. Проверено 8 апреля 2010 г.
- ^ «Терфенол-Д – ETREMA Products, Inc» . ТдВиб, ООО . Проверено 1 декабря 2018 г.
- ^ Верховен, доктор юридических наук; Остенсон, Дж. Э.; Гибсон, Эд; МакМастерс, ОД (15 июля 1989 г.). «Влияние состава и магнитной термообработки на магнитострикцию Tb x Dy 1- x Fe y двойниковых монокристаллов ». Журнал прикладной физики . 66 (2): 772–779. Бибкод : 1989JAP....66..772V . дои : 10.1063/1.343496 . ISSN 0021-8979 .
- ^ 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. дои : 10.1016/S0925-8388(97)00068-6 . ISSN 0925-8388 .
- ^ Jump up to: а б «Конструкции датчиков и исполнительных механизмов Active Signal Technologies Терфенол-Д» . www.activesignaltech.com . Проверено 9 декабря 2018 г.
- ^ «Патент на топливную форсунку» . Проверено 18 февраля 2011 г.
- ^ Jump up to: а б с Снодграсс, Джонатан Д.; МакМастерс, ОД (1 августа 1997 г.). «Оптимизированные процессы производства ТЕРФЕНОЛ-Д». Журнал сплавов и соединений . 258 (1–2): 24–29. дои : 10.1016/S0925-8388(97)00067-4 . ISSN 0925-8388 .
- ^ Jump up to: а б Иссинду, Валентин; Виала, Б.; Химено, Л.; Кугат, О.; Радо, К.; Буа, С. (8 августа 2017 г.). «Методы изготовления высокопроизводительных миниатюрных дисков терфенола-Д для сбора энергии» . Слушания . 1 (4): 579. doi : 10.3390/proceedings1040579 . ISSN 2504-3900 .
- ^ Гурусвами, С.; Лавлесс, мистер; Срисукхумбововорнчай, Н.; Маккартер, МК; Тетер, JP (2000). «Обработка магнитострикционных композитов на основе сплава Терфенол-Д методом динамического прессования». Журналы и журналы IEEE . 36 (5): 3219–3222. Бибкод : 2000ITM....36.3219G . дои : 10.1109/20.908745 .