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 ( 36 %, 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 % , 50 % ; 70 % , 30 % ; 10 % , 90 % ; 45 % , 55 % ; 54 % , 46 % (Белов. 1987). В некоторых сплавах группы железа магнитострикция , что существенно превышает её величины в железе и никеле (). 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 ). Наиболее важным материалом из этой группы является аморфный сплав метгласс 2605SC (), спонтанная магнитострикция которого равна 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 () были обнаружены в редкоземельных металлах () 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 () с магнитострикцией порядка при 300 К, например и (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 и (Abbundi. 1977), можно уменьшить магнитокристаллическую анизотропию. Такой подход привёл к открытию сплава (коммерчески известного как терфенол-Д). Данное соединение со структурой фазы Лавеса [1] наиболее перспективно из-за гигантской магнитострикции () 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 и () и в магнитокалорическом материале (Morellon. 2000).
К другим магнитострикционным материалам на основе со значительными величинами магнитострикции относятся сверхпроводящие антиферромагнетики типа , где , , , (); (, , ) (); полуметаллические монопниктиды церия , , (); соединения (), (); (, , ) (); (); ().
Среди магнитострикционных материалов, не содержащих , 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 , где , , , . 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 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 , , , , (Speliotis. 2013); , ; , (Stadler. 2018); (алфенол ); . Эти материалы проявляют необычные для объёмных материалов магнитные свойства, в частности поверхностную магнитострикционную деформацию.
Среди мультислоёв можно выделить . 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 , в которых наблюдаются высокие значения магнитной проницаемости, намагниченности насыщения и низкая коэрцитивность (Shi. 2019). Мультислои и 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 (, , , ), гексаферриты, ферриты со структурой граната (); ортоферриты (), оксиды марганца со структурой перовскита , (; , , , ) 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.