Магнитострикционные материалы

Магнитострикцио́нные материа́лы, материалы, обладающие хорошо выраженными магнитострикционными свойствами.

К классическим и первым по времени открытия магнитострикционным материалам (условно первая группа магнитострикционных материалов) относятся металлы, сплавы и соединения на основе элементов группы железа и никеля (т. н. инварные сплавы). Магнитострикция была открыта Дж. П. Джоулем в 1842 г. Он обнаружил, что железный стержень при намагничивании изменяет свои размеры. Магнитострикция никеля впервые была измерена У. Ф. Барреттом в 1882 г. Ш. Э. Гильом в 1896 г. установил, что в некоторых сплавах железа и никеля наблюдается положительная магнитострикция (удлинение образца), и разработал сплав инвар ($\text{Ni}$ 36 %, $\text{Fe}$ 64 %) с уникально низким коэффициентом теплового расширения. Интенсивное исследование магнитострикционных явлений, особенно в сплавах на основе железа и никеля, началось в 30-х гг. 20 в. Магнитострикционные сплавы на основе никеля использовались в акустических преобразователях во время Второй мировой войны. К основным магнитострикционным материалам данной группы относятся чистые железо, кобальт, никель, а также ряд их сплавов: 50 % $\text{Со}$, 50 % $\text{Fe}$; 70 % $\text{Со}$, 30 % $\text{Fe}$; 10 % $\text{Ni}$, 90 % $\text{Fe}$; 45 % $\text{Ni}$, 55 % $\text{Fe}$; 54 % $\text{Pt}$, 46 % $\text{Fe}$ (Белов. 1987). В некоторых сплавах группы железа магнитострикция $\Delta l/l \sim 10^{-4}$, что существенно превышает её величины в железе и никеле ($\Delta l/l \sim 10^{-6}$). К наиболее известным магнитострикционным материалам этого класса относятся алфер, пермендюр; они самые дешёвые. Однако малые величины магнитострикции таких материалов заметно сдерживают их широкое применение в технике.

Ко второй группе магнитострикционных материалов относятся магнитомягкие материалы – поликристаллические и аморфные сплавы на основе железа, кобальта и никеля с большими значениями коэффициента линейного теплового расширения (ковар, платинит). Они обладают невысокими значениями магнитострикции насыщения $(\Delta l/l)_{\text{н}} < 5 \cdot 10^{-5}$). Наиболее важным материалом из этой группы является аморфный сплав метгласс 2605SC ($\text{Fe}_{81}\text{B}_{13.5}\text{Si}_{3.5}\text{C}_{2}$), спонтанная магнитострикция которого равна $3 \cdot 10^{-5}$ при 300 К). Из-за особенностей технологии изготовления сплав выпускается только в форме тонких лент.

Третья группа магнитострикционных материалов включает в себя магнитострикционные сплавы с высокими значениями намагниченности насыщения. В 1960-х гг. гигантские величины магнитострикции ($\sim 10^{-3} \text{--} 10^{-4}$) были обнаружены в редкоземельных металлах ($\text{РЗМ}$) тербии и диспрозии (Clark. 1965) при низких температурах. Однако их точки Кюри лежат в области низких температур, и при комнатной температуре эти металлы имеют незначительную магнитострикцию. В попытке получить большие величины магнитострикции при комнатных температурах был открыт новый класс редкоземельных интерметаллических соединений типа $\text{RFe}_{2}$ ($\text{R = РЗМ}$) с магнитострикцией порядка $2 \cdot 10^{–3}$ при 300 К, например $\text{TbFe}_{2}$ и $\text{DyFe}_{2}$ (Clark, 1980). Оба сплава обладают значительной магнитокристаллической анизотропией, и, следовательно, максимальные значения магнитострикции могут быть получены только в сильных магнитных полях. Тем не менее, подобрав правильную пропорцию $\text{Tb}$ и $\text{Dy}$ (Abbundi. 1977), можно уменьшить магнитокристаллическую анизотропию. Такой подход привёл к открытию сплава $\text{Tb}_{0.27}\text{Dy}_{0.73}\text{Fe}_{1.95}$ (коммерчески известного как терфенол-Д). Данное соединение со структурой фазы Лавеса [1] наиболее перспективно из-за гигантской магнитострикции ($10^{–2}$) при комнатной температуре и малой величины магнитокристаллической анизотропии, что позволяет применять его в относительно слабых магнитных полях. Этот материал применяется в гидролокаторах и магнитострикционных силовых приводах.

Гигантская магнитострикция также обнаружена в $\text{RCu}_{2}$ и $\text{RCu}$ ($\text{R = РЗМ}$) и в магнитокалорическом материале $\text{Gd}_{5}(\text{Si}_{x}\text{Ge}_{1−x})_{4}$ (Morellon. 2000).

К другим магнитострикционным материалам на основе $\text{РЗМ}$ со значительными величинами магнитострикции относятся сверхпроводящие антиферромагнетики типа $\text{RNi}_{2}\text{B}_{2}\text{C}$, где $\text{R = Gd}$, $\text{Dy}$, $\text{Ho}$, $\text{Er}$ ($\sim 10^{-3} \text{--} 10^{-4}$); $\text{RB}_{6}$ ($\text{R = Ce}$, $\text{Nd}$, $\text{Gd}$) ($\sim 10^{-6} \text{--} 10^{-4}$); полуметаллические монопниктиды церия $\text{CeBi}$, $\text{CeSb}$, $\text{CeP}$ ($\sim 10^{-5} \text{--} 10^{-4}$); соединения $\text{Ce(Ru}_{0.85}\text{Rh}_{0.15})_{2}\text{Si}_{2}$ ($\sim 10^{-3} \text{--} 10^{-4}$), $\text{CeAl}_{2}$ ($\sim 10^{-3} \text{--} 10^{-4}$); $\text{RGa}_{2}$ ($\text{R = Er}$, $\text{Ho}$, $\text{Dy}$) ($\sim 10^{-3} \text{--} 10^{-4}$); $\text{ErIn}_{3}$ ($\sim 10^{-3} \text{--} 10^{-4}$); $\text{TmS}$ ($\sim 10^{-5} \text{--} 10^{-6}$).

Среди магнитострикционных материалов, не содержащих $\text{РЗМ}$, необходимо выделить сплав железа и галлия (галфенол) (Clark. 2003). Данный магнитострикционный материал обладает приблизительно в 3 раза меньшим значением магнитострикции, чем терфенол-Д, при этом для достижения максимальных значений магнитострикции необходимо рекордно низкое значение магнитного поля (около 100 Э). Галфенол более вязок, демонстрирует высокий предел прочности (до 500 МПа) и может быть подвергнут механической обработке, сварке и использован в условиях, при которых терфенол-Д разрушается (при температуре от −20 до +80 °C). Сплавы данного типа (как правило, с содержанием галлия менее 20 %) обладают высокими температурой Кюри (675 °C) и коррозионной стойкостью. Исходные материалы для приготовления сплава, как правило, недороги.

На основе галфенола разработаны магнитострикционные материалы с частичной заменой галлия другими элементами, например бериллием; сплавы типа $\text{Fe – Ga – X}$, где $\text{Х = Ni}$, $\text{Mo}$, $\text{Sn}$, $\text{Al}$. Также для увеличения значения намагниченности и повышения температуры Кюри при сохранении магнитострикционных свойства в сплавах типа галфенола железо может быть частично заменено кобальтом. Небольшие добавления углерода незначительно повышают магнитострикцию галфенола.

Важным фактором при разработке новых магнитострикционных материалов является оптимизация соотношения значений магнитострикции и магнитной анизотропии для получения больших величин растяжения/сжатия в относительно небольших магнитных полях. Для объёмных материалов данная проблема была частично решена в описанных выше соединениях (в сплавах типа $\text{RFe}_{2}$ с фазами Лавеса исчезает константа анизотропии второго порядка, а в сплавах на основе терфенола-Д – константа анизотропии четвёртого порядка).

В отдельную подгруппу можно выделить тонкие и аморфные плёнки, а также обменно-связанные многослойные структуры (мультислои), в которых возможно сочетание магнитомягких и магнитострикционных свойств. К тонким и аморфным плёнкам, как правило, относят соединения $\text{TbFe}$, $\text{TbCo}$, $\text{TbFeCo}$, $\text{TbDyFeCo}$, $\text{TbDyFe}$ (Speliotis. 2013); $\text{SmFe}$, $\text{SmFeB}$; $\text{FeGa}$, $\text{FeGaB}$ (Stadler. 2018); $\text{FeAl}$ (алфенол $\text{Fe}_{8}\text{Al}_{19}$); $\text{FeCo}$. Эти материалы проявляют необычные для объёмных материалов магнитные свойства, в частности поверхностную магнитострикционную деформацию.

Среди мультислоёв можно выделить $\text{FeGa/NiFe}$. Магнитострикционные свойства галфенола могут быть улучшены путём обменного взаимодействия, возникающего в многослойных магнитных тонких плёнках, когда толщина плёнки меньше радиуса обменного взаимодействия. Большие значения магнитострикции достигаются в мультислоях галфенола в сочетании с тонкими плёнками $\text{Fe}_{50}\text{Ni}_{50}$, в которых наблюдаются высокие значения магнитной проницаемости, намагниченности насыщения и низкая коэрцитивность (Shi. 2019). Мультислои $\text{TbCo/FeCo}$ и $\text{TbFe/Fe}$ обладают гигантскими величинами магнитострикции, бóльшими, чем у терфенола (Ludwig, 2000). Возможное объяснение этого явления связано с тем, что данные композитные материалы состоят из двух частей, одна из которых обладает большой магнитострикцией, а другая является магнитомягким материалом и обладает большой намагниченностью. Гигантские величины магнитострикции также наблюдаются и в магнитных наночастицах такого же состава (Sajjia. 2016).

К четвёртой группе магнитострикционных материалов относятся ферриты со структурой шпинели $\text{MeFe}_{2}\text{O}_{4}$ ($\text{Me = Mn}$, $\text{Zn}$, $\text{Co}$, $\text{Ni}$), гексаферриты, ферриты со структурой граната $\text{R}_{3}\text{Fe}_{5}\text{O}_{12}$ ($\text{R = РЗМ}$); ортоферриты $\text{RFeO}_{3}$ ($\text{R = РЗМ}$), оксиды марганца со структурой перовскита $\text{R}_{1–x}\text{Me}_{x}\text{MnO}_{3}$, ($\text{R = РЗМ}$; $\text{Me = Ca}$, $\text{Sr}$, $\text{Pb}$, $\text{Ba}$) и актинидные соединения (соединения урана, плутония, нептуния).

Магнитострикционные материалы применяют в качестве преобразователей электромагнитной энергии в другие виды, например в механическую или акустическую. Они используются в излучателях и приёмниках звука, фильтрах, стабилизаторах и других селективных частотных устройствах для радиотехники и электросвязи, в линиях задержки звуковых и электрических сигналов, в магнитоупругих датчиках и магнитострикционных механизмах микроперемещений и нажимных устройствах.