Microsoft Word - 0 2004_konspekt_lab

MATERIAŁY O GIGANTYCZNEJ MAGNETOSTRYKCJI – J. BOMBA, J. KALETA

1. Efekty magnetomechaniczne (magnetostrykcji)
1.1. Charakterystyka efektów magnetomechanicznych (magnetostrykcji)

Magnetostrykcja [7] (od słowa greckiego magnet – magnes i łaci

ńskiego strictus –

ściśnięty, sprężony, napięty) jest dziedziną magnetyzmu zajmującą się „zjawiskami

zwi

ązanymi z oddziaływaniami między wielkościami magnetycznymi a naprężeniami

i odkształceniami mechanicznymi”. Pod wpływem tych oddziaływa

ń zmieniają się

wła

ściwości materiałów jak np. magnetyczne, mechaniczne, termiczne, elektryczne

i akustyczne. Materiały, w których zjawiska magnetostrykcji wyst

ępują w sposób

wyró

żniający je spośród innych materiałów magnetycznie miękkich, noszą nazwę

magnetostrykcyjnych, podobnie jak przetworniki z nich wykonane.

Przez analogi

ę do materiałów piezoelektrycznych stosuje się określenie materiałów

piezomagnetycznych [7]. Czyste zjawisko piezomagnetyczne w stanie niespolaryzowanym

wyst

ępuje bardzo rzadko. Odkryto je w kilku antyferromagnetykach, jak np. CoF

i MnF

oraz w hematycie. Pod wpływem przyło

żonych naprężeń występuje proporcjonalna do nich

słaba magnetyzacja materiału (słaby ferromagnetyzm).

ęższa definicja magnetostrykcji [7] „obejmuje zjawiska związane ze zmianami

kształtu i wymiarów, wywołanymi zmianami namagnesowania”.

Najpowszechniej stosowana jest definicja po

średnia [7], która mówi, że

„magnetostrykcja polega na zmianie kształtu i wymiarów oraz wła

ściwości mechanicznych

pod wpływem pola magnetycznego lub – odwrotnie – na zmianie wła

ściwości

magnetycznych, np. indukcji (lub magnetyzacji) i przenikalno

ści (lub podatności), pod

wpływem napr

ężeń i odkształceń mechanicznych”.

Zjawisko Joule’a (magnetostrykcja liniowa)

Zjawiskiem Joule’a [7] nazywa si

ę efekt prosty magnetostrykcji lub magnetostrykcję

liniow

ą, polegającą na zmianie długości próbki pod wpływem magnesowania przy

odpowiedniej zmianie przekroju poprzecznego. Zachowana zostaje stała obj

ętość.

Przy stałej obj

ętości występuje czysta magnetostrykcja postaciowa (kształtu), w której

magnetostrykcja wzdłu

żna i poprzeczna odpowiednio się kompensują. Zjawisko takie można

zazwyczaj zaobserwowa

ć w początkowym i środkowym zakresie krzywej magnesowania.

Magnetostrykcj

ę liniową określamy jako podłużną lub wzdłużną, gdy kierunek

mierzonych odkształce

ń względnych jest zgodny z przyłożonym polem H. Współczynnik

magnetostrykcji wzdłu

żnej zdefiniujemy jako:

−

∆

(3.1)

gdzie l

–pocz

ątkowa długość próbki,

∆l –funkcja nat

ężenia pola magnetycznego,

l – długo

ść próbki w polu magnetycznym.

Magnetostrykcja poprzeczna wyst

ępuje, gdy kierunek odkształceń jest prostopadły do

przyło

żonego pola magnetycznego. Współczynnik magnetostrykcji poprzecznej λ

⊥

(lub

)

definiuje si

ę analogicznie jak wzdłużnej. Dla pola nasycenia H

współczynniki

magnetostrykcji oznacza si

ę jako λ

. Magnetostrykcja liniowa mo

że być dodatnia

(

λ > 0), np. w magnetycie, permendurze, permalojach – zwykle o zawarto

ści 45 – 65 % Ni,

alferach lub słabo namagnesowanym

żelazie, lub ujemna (λ < 0), np. w niklu i ferrytach

niklowych.

Magnetostrykcja charakteryzuje si

ę tym, że:

• jest zjawiskiem parzystym, co oznacza,

że zmianie znaku polaryzacji magnetycznej

(nat

ężenia pola lub indukcji) nie towarzyszy zmiana znaku magnetostrykcji,

MATERIAŁY O GIGANTYCZNEJ MAGNETOSTRYKCJI – J. BOMBA, J. KALETA

• podlega zjawisku histerezy magnetycznej i termicznej,

• wykazuje anizotropi

ę, zależy od kształtu i temperatury.

Zjawisko magnetospr

ężyste Villariego (odwrotne zjawisko magnetostrykcji)

Zjawisko Villariego [7] jest zjawiskiem odwrotnym do efektu Joule’a i polega na

zmianie magnetostrykcji pod wpływem przyło

żonych do próbki sił mechanicznych

wprowadzaj

ących naprężenia sprężyste. Zmiany te zależą od znaku i kierunku przyłożonych

sił. Materiały o magnetostrykcji dodatniej wydłu

żają się wraz ze wzrostem pola (rys. 3.1), tzn.

napr

ężenia rozciągające powodują wzrost magnetyzacji, a więc i przenikalności, zaś

napr

ężenia ściskające powodują przy określonym natężeniu pola magnetycznego

zmniejszenie B i

µ. W materiałach o magnetyzacji ujemnej, jak np. w niklu, napr

ężenia

rozci

ągające powodują zmniejszenie magnetyzacji i przenikalności, zaś ściskające ich wzrost.

Ponadto dla niektórych materiałów (np. permalloy’u o składzie 82% Ni i 18% Fe)

magnetostrykcja równa jest prawie zeru.

Rys. 3.1. Magnetostrykcja liniowa

W przypadku pr

ęta żelaznego, charakteryzującego się dodatnią magnetostrykcją

w zakresie słabych pól magnetycznych niewielkie siły rozci

ągające powodują w tym zakresie

wzrost magnetyzacji. Magnetyzacja pr

ęta żelaznego w silnych polach magnetycznych pod

wpływem niewielkich sił rozci

ągających ulega zmniejszeniu, ponieważ magnetostrykcja

w tym zakresie jest ujemna. Villari odkrył wi

ęc, że w żelazie przy pewnej wartości natężenia

pola H

siły nie powoduj

ą zmian magnetyzacji (punkt Villariego), a powyżej H

nast

ępuje

odwrócenie efektu. W punkcie Villariego nast

ępuje zmiana znaku magnetostrykcji.

Napr

ężenia nie powodują zmian magnetostrykcji w przypadkach skrajnych stanów

magnetycznych [7], tzn. rozmagnesowania i nasycenia.
Zjawisko Barretta (magnetostrykcja obj

ętościowa)

Wraz z magnetostrykcj

ą liniową, jak również samodzielnie, może wystąpić

magnetostrykcja obj

ętościowa [7] nazywana zjawiskiem Barretta, która polega na wzroście

lub zmniejszaniu obj

ętości materiału. W czystej postaci magnetostrykcję objętościową

opisujemy wzorem:

ω =

∆

(3.2)

Polega ona na jednoczesnej i jednakowej wzgl

ędnej zmianie wszystkich wymiarów próbki (l,

b, c), tj. na skurczeniu lub na sp

ęcznieniu. W tych przypadkach zmienia się objętość V, zaś

kształt pozostaje zachowany, tzn. [7]:

MATERIAŁY O GIGANTYCZNEJ MAGNETOSTRYKCJI – J. BOMBA, J. KALETA

∆

(3.3)

ω =

∆

−

lbc

−

= 3

∆

+ 3











 ∆











 ∆

(3.4)

gdzie b, c – wymiary poprzeczne próbki,

l – długo

ść próbki.

Wzgl

ędne zmiany wymiarów (3.3) wywołane magnetostrykcją są rzędu 10

-5

÷ 10

-6

. W wielu

rozwa

żaniach przyjmuje się, że względne zmiany objętości są około trzy razy większe od

zmian wymiarów liniowych. Nie oznacza to,

że magnetostrykcja objętościowa jest trzy razy

ększa od liniowej. Zjawiska te mogą zachodzić oddzielnie lub jednocześnie, nakładając się

na siebie w ró

żnych proporcjach. Na przykład w żelazie obok magnetostrykcji liniowej,

w pobli

żu zakrzywienia krzywej pierwotnej magnesowania, pojawia się magnetostrykcja

obj

ętościowa.

W zakresie paraprocesu współczynnik magnetostrykcji obj

ętościowej jest

w przybli

żeniu proporcjonalny do natężenia pola magnetycznego. Ze zmianami objętości

zwi

ązany jest współczynnik rozszerzalności liniowej.

Inne zjawiska magnetomechaniczne; szczególne, pochodne i towarzysz

ące

Poza wy

żej opisanymi zjawiskami magnetomechanicznymi jest jeszcze szereg innych

[7], których nie wykorzystano w badaniach podczas realizacji tej pracy, jak np.:

• Zjawiska Guillemina i Wiedemanna (pochodne efektu Joule’a). Pierwsze zjawisko polega

na d

ążeniu do wyprostowania zginanych sprężyście lub trwale prętów umieszczonych

w polu magnetycznym, a drugie na skr

ęcaniu swobodnego końca zamocowanego pręta

namagnesowanego wzdłu

żnie, przez który równocześnie przepływa prąd elektryczny

powoduj

ący powstawanie obwodowego pola magnetycznego.

• Zjawiska Barnetta i Einsteina-de Haasa, które opieraj

ą się na związku między momentem

magnetycznym a momentem p

ędu elementarnych nośników magnetyzmu (atomów lub

ąsteczek)

okre

ślonym

współczynnikami

magnetomechanicznymi

lub

giromagnetycznymi. Przykładem zjawiska Barnetta jest pr

ęt ferromagnetyczny szybko

obracaj

ący się wokół swej osi, w którym powstaje moment magnetyczny, i który zostaje

namagnesowany nawet przy braku zewn

ętrznego pola magnetycznego. Zjawisko

Einsteina-de Haasa jest odwrotnym zjawiskiem Barnetta, w którym pod wpływem zmiany

magnetyzacji pr

ęt obraca się wokół osi pokrywającej się z kierunkiem zewnętrznego pola.

• Zjawisko Barkhausena, w którym w trakcie magnesowania lub rozmagnesowania

żelaza

żna usłyszeć po wzmocnieniu trzaski w słuchawce telefonicznej. Spowodowane jest to

przesuwaniem si

ę ścian domenowych i obrotem wektorów magnetyzacji domen.

Szczególnym przypadkiem magnetostrykcji jest piezomagnetyzm [7]. W praktyce

zjawisko to obserwuje si

ę w materiałach magnetostrykcyjnych spolaryzowanych

magnetycznie, a w postaci czystej w niektórych antyferromagnetykach.

Z magnetostrykcj

ą związana jest mechanostrykcja i efekt ∆E [7] polegający

na zmianie modułu spr

ężystości przy przejściu od stanu rozmagnesowania do stanu nasycenia

technicznego.

Zjawiskami pochodnymi zwi

ązanymi z magnetostrykcją są także [7]: zależność

magnetyzacji spontanicznej, przenikalno

ści i temperatury Curie od ciśnienia

hydrostatycznego, a tak

że opóźnienie magnetyczne, tłumienie fal akustycznych i tarcie

wewn

ętrzne.

Spo

śród wymienionych zjawisk magnetomechanicznych, ze względu na specyfikę

bada

ń oraz aktualne możliwości przeprowadzenia pomiarów, zdecydowano się wykorzystać

zjawisko magnetospr

ężyste Villariego (efekt Villariego).

MATERIAŁY O GIGANTYCZNEJ MAGNETOSTRYKCJI – J. BOMBA, J. KALETA

2. Pomiar pola magnetycznego

Jako czujniki do pomiaru pola magnetycznego stosuje si

ę elementy:

a). pasywne

- gaussotrony

- magnetorezystory

b). aktywne

- hallotrony

3. Materiały magnetostrykcyjne
Ferromagnetyzm; warunki wyst

ępowania

Zgodnie z powszechnie przyj

ętym w fizyce poglądem warunkiem koniecznym do

wyst

ąpienia ferromagnetyzmu [7] jest obecność kilku nieskompensowanych spinów

elektronów, np. w poziomie 3d w Fe, Ni i Co. Pozostałe pierwiastki, np. Mn, mimo

nieskompensowanych momentów nie wykazuj

ą właściwości ferromagnetycznych, gdyż ich

atomy w sieci krystalicznej ustawiaj

ą się zbyt blisko siebie (stosunek odległości do średnicy

atomów jest wtedy nie wi

ększy od 1,5; momenty wypadkowe na skutek antyrównoległego

ustawienia si

ę sąsiednich atomów są równe zeru i mangan jest antyferromagnetykiem).

ęściowa kompensacja spinów występuje w materiałach ferromagnetycznych, np.

w kryształach Fe zamiast 4

, jak w atomach swobodnych,

średnio na atom przypada 2,22

, w niklu zamiast 2 tylko 0,6

. W kobalcie zmniejszenie nast

ępuje od 3 do 1,71 µ

, za

w manganie z 5 do 0.

żnym parametrem jest temperatura Curie – zaniku właściwości magnetycznych.

Dla

żelaza wynosi ona 1043 K, dla kobaltu 1393 – 1403 K, dla niklu 631 K, zaś dla gadolinu

o 7

w atomach swobodnych tylko 290 K (17

C). Pozostałe pierwiastki ziem rzadkich maj

temperatur

ę Curie bardzo niską.

Materiały magnetostrykcyjne z pierwiastkami ziem rzadkich (ang. Rare Earth Giant

Magnetostrictive Materials - GMM)

Materiały o du

żej magnetostrykcji (ang. giant magnetoresistive materials) [4] są

stopami składaj

ącymi się głównie z Tb (terbu), Dy (dysprozu) i czystego żelaza. Mogą

zmienia

ć energię magnetyczną w mechaniczną i odwrotnie, ponieważ są to materiały mogące

ć czujnikami lub tzw. actuator’ami (ang. actuator – element wykonawczy). Wymagają

jedynie niskiego napi

ęcia zasilania cewki, by odkształcenia materiału osiągnęły wartość 40

razy wi

ększą od tradycyjnych materiałów magnetostrykcyjnych. Materiały GMM

charakteryzuj

ą się także szerokim zakresem temperatur pracy oraz małą bezwładnością.

Temperatura Curie dla tych materiałów wynosi 380

÷ 420

C, a temperatura pracy mo

że

dochodzi

ć nawet do 200

C. GMM mog

ą wywołać naprężenie dochodzące do 300 kg/cm

MATERIAŁY O GIGANTYCZNEJ MAGNETOSTRYKCJI – J. BOMBA, J. KALETA

4. Smart Materials i GMM
4.1. Materiały aktywne; podstawowe rodzaje

W ostatnich kilkunastu latach nast

ąpił rozwój nowoczesnych materiałów aktywnych

(ang.: Smart Materials)

. Dzi

ęki swym specyficznym własnościom materiały te pozwalają na

konstruowanie urz

ądzeń o właściwościach adaptacyjnych dotychczas niemożliwych do

uzyskania (np. o charakterystykach pracy zale

żnych od widma obciążenia).

W niektórych materiałach aktywnych wykorzystuje si

ę zjawiska fizyczne pozwalające

na zamian

ę energii z jednej formy w drugą, jak np. energii elektrycznej w mechaniczną (w

materiałach piezoceramicznych i elektrostrykcyjnych), energii magnetycznej w mechaniczn

(w materiałach magnetostrykcyjnych), czy termicznej w mechaniczn

ą (w materiałach z

pami

ęcią kształtu). Niektóre z nich posiadają także możliwość odwrócenia procesu zamiany

energii. W tabeli 1 porównano wybrane materiały aktywne. Własno

ści przedstawionych

materiałów s

ą wykorzystywane w elementach wykonawczych (ang.: actuator) oraz w

czujnikach (ang.: sensor).
4.2. Aplikacja zjawiska magnetostrykcji; przykłady

Zjawisko magnetostrykcji i efekt do niej odwrotny (efekt Villariego) s

ą co najmniej od

60 lat wykorzystywane do budowy przetworników. Przyjmuje si

ę, że jeśli

Tabela 1. Porównanie materiałów aktywnych (ang.: Smart Materials) [1,10,11]

Mechanizm aktywacji

Wielko

Piezo-

ceramiczny

Elektro-

strykcyjny

Magneto-

strykcyjny

Stopy

z pami

kształtu

Max. odkształcenie [%]

0.13

0.1

0.2

÷ 0.6

÷ 8

Moduł Younga [GPa]

60.6

64.5

29.0

---

sto

[g/cm

]

7.5

7.8

9,0

÷ 9.3

7.1

sto

energii aktywuj

cej [J/kg]

6.83

4.13

6.42

252

÷4032

Współczynnik histerezy [%]

< 1

wysoki

Temperatura pracy [

-20

÷ 200

÷ 40

400

300

stotliwo

pracy [Hz]

100 k

30 k

energia magnetyczna ulega zamianie w mechaniczn

ą (rys. 4.1), to mamy do czynienia

z elementami wykonawczymi. W przypadku odwrotnym – zamiany energii mechanicznej na

magnetyczn

ą – mówi się z kolei o czujnikach.

Pole magnetyczne

Pole mechaniczne

Siła

Nat

enie pola magnetycznego

Rys. 4.1. Schemat transformacji energii w materiałach magnetostrykcyjnych

Polskie odpowiedniki tego terminu, takie jak „materiały adaptacyjne”, czy „materiały

sprytne”, nie zostały do tej pory powszechnie zaakceptowane.

MATERIAŁY O GIGANTYCZNEJ MAGNETOSTRYKCJI – J. BOMBA, J. KALETA

Historia magnetostrykcji si

ęga 1842 roku, w którym James Joule zaobserwował

zmiany wymiarów w próbce niklu pod wpływem pola magnetycznego. Podobne zjawisko

zaobserwowano w kobalcie,

żelazie i stopach tych metali. Magnetostrykcja, rozumiana jako

odkształcenie pod wpływem pola magnetycznego, tych materiałów si

ęgała 0,005 %. Z

powodu tak małych zmian odkształcenia w znanych ówcze

śnie materiałach zjawisko to nie

znalazło wi

ększego zastosowania. Wykorzystano je dopiero podczas Drugiej Wojny

Światowej przy budowie sonaru.
4.3. Terfenole; przykłady materiałów o gigantycznej magnetostrykcji

W roku 1965 odkryto w Naval Ordnance Lab i Ames Laboratory [8],

że niektóre

pierwiastki ziem rzadkich, jak Tb (terb) i Dy (dysproz), w niskich temperaturach
charakteryzuj

ą się o kilka rzędów większą magnetostrykcją λ niż nikiel (Tab. 2). Kilka lat

pó

źniej udało się uzyskać związki tych pierwiastków z żelazem, w których zjawisko

magnetostrykcji wyst

ępuje w temperaturze pokojowej. Szeroką paletę tych materiałów

opisywanych ogólnym wzorem chemicznym Tb

1-x

nazwano „terfenolami”. W roku

1986 firma ETREMA Products Inc. zacz

ęła produkować komercyjnie najpowszechniej dziś

stosowany materiał – Terfenol-D (Tb

0.3

0.7

1.9

Tabela 2. Wła

ciwo

ci wybranych materiałów magnetostrykcyjnych [3,8,9]

Materiał

ρ [g/cm

]

E [GPa]

max.

[%]

Curie

[K]

7.86

210

-0.0050

633

8.9

210

-0.0014

1043

Permalloy (65%Fe, 45%Ni)

---

0.0027

713

SmFe

8.53

---

-0.2340

688

---

0.0060

858

DyFe

9.28

---

0.0650

635

TbFe

(Terfenol)

9.06

---

0.2630

703

0.3

0.7

1.9

(Terfenol-D)

9.21

0.1600

÷ 0.2400

653

0.6

0.4

@ 77K

---

0.6300

215

TbZn

---

0.4500

÷ 0.5500

180

TbDyZn

---

0.5000

250

Terfenol-D [2] jest mi

ędzymetalicznym stopem pierwiastków ziem rzadkich, terbu i

dysprozu, oraz

żelaza. Jest produkowany w postaci zbliżonej do jednolitego kryształu

(metod

ą Bridgman’a i metodą Czochralskiego).

Terfenole pozwalaj

ą na uzyskanie, w zależności od postaci w której są produkowane i

stosowane, pozornie przeciwstawnych własno

ści magneto-mechanicznych:

- jako materiały lite (rys. 4.2a) (pr

ęty, kształtki, folie, cienkie warstwy) wykazują niewielką

histerez

ę magneto-mechaniczną, co powoduje, że wzajemne przekształcanie energii

mechanicznej i magnetycznej zachodzi w przetwornikach z wysok

ą sprawnością;

Rys. 4.2. Terfenol-D w postaci próbek masywnych i proszku [4]

MATERIAŁY O GIGANTYCZNEJ MAGNETOSTRYKCJI – J. BOMBA, J. KALETA

- w postaci proszków (rys. 4.2b) po odpowiednim poł

ączeniu z żywicami, silikonami,

gumami itp. – i spolaryzowaniu magnetycznym, pozwalaj

ą otrzymać materiały o dużych

własno

ściach tłumiących.

żliwe stało się zatem uzyskanie materiałów z programowalnymi własnościami

mechanicznymi i magnetycznymi, o bardzo szerokim zastosowaniu technicznym. Terfenole

stanowi

ą dziś znaczącą grupę w ramach tzw. Smart Materials.

Terfenol-D znalazł tak

że zastosowanie w budowie sensorów, pomp hydraulicznych o

niewielkich rozmiarach [6], silnikach krokowych i obrotowych [3], precyzyjnych

pozycjonerach [8] oraz w konstrukcjach wymagaj

ących tłumienia drgań (np. w śmigle

helikoptera [5]).
4.5. Stymulowanie własno

ści terfenoli

Programowanie własno

ści terfenoli jest możliwe dzięki temu, że podstawowe

charakterystyki materiału zale

żą między innymi od parametrów takich jak tzw. naprężenie

wst

ępne σ

, nat

ężenie pola podmagnesowującego H

oraz widma i czasu trwania obci

ążenia

czynnego. Na przykład w elementach wykonawczych Terfenol-D w postaci pr

ęta (rys. 4.2)

otoczony jest cewk

ą wytwarzającą pole magnetyczne. Dodatkowo, w celu poprawienia

charakterystyki pracy, stosuje si

ę sprężyny napinające (rys. 4.3) lub magnesy stałe. Sprężyny

napinaj

ące wywołują w materiale naprężenie wstępne pozwalając na zachowanie liniowej

charakterystyki w wi

ększym zakresie odkształceń. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowy

schemat budowy elementu wykonawczego firmy MIDE z USA [10], który pozwala na

uzyskanie du

żej siły przy niewielkich rozmiarach i krótkim czasie reakcji. W tabeli 3

przedstawiono z kolei przykładowe parametry osi

ągane przez taki element wykonawczy [10].

Terfenol-D

ruba

Spr

yna

napi

cia

wst

pnego

Cewka pola

magnetycznego

Obudowa

Rys. 4.3. Schemat elementu wykonawczego firmy MIDE z USA [10]

Tabela 3. Przykładowe parametry elementu wykonawczego firmy MIDE [10]

Wielko

Przykładowa warto

rednica pr

ta (Terfenol-D)

8.9 mm

Długo

ta (Terfenol-D)

75.9 mm

Czas odpowiedzi

<0.3 ms/>4 kHz

Skok

0.114 mm

Siła

2.669 kN

Zakres temperatury pracy

-15

÷ 300

Zajmowana przestrze

< (48.1

48.1

75.9) mm

(wersja robocza)

Giant magnetostrictive materials (GMM) as a functional material for construction of sensors

and actuators

Authors: Jacek Bomba M.Sc., Jerzy Kaleta Ph.D., DSc. Eng.

Wrocław University of Technology, Institute of Materials Science and Applied Mechanics,

ul. Smoluchowskiego 25, 50-370 Wrocław

1. Introduction

Giant Magnetostrictive Materials (GMM) nale

grupy Smart Magnetic Materials (SMM). Do

najbardziej znanych materiałów tego typu nale

dzymetaliczne stopy pierwiastków ziem rzadkich,

terbu (Tb) i dysprozu (Dy), oraz

elaza. S

one

produkowane w postaci zbli

onej do jednolitego

kryształu

(metod

Bridgman’a

metod

Czochralskiego) lub proszków. Pozwalaj

one na

zamian

energii magnetycznej w mechaniczn

oraz

mechanicznej w magnetyczn

(Fig. 1).

Magnetic field

Force

Fig. 1. Schemat transformacji energii w materiałach

magnetostrykcyjnych

GMM pozwalaj

na uzyskanie, w zale

ci od postaci

w której s

produkowane i stosowane, pozornie

przeciwstawnych własno

ci magneto-mechanicznych:

- jako materiały lite (pr

ty, kształtki, folie, cienkie

warstwy) wykazuj

niewielk

histerez

magneto-

mechaniczn

powoduje,

wzajemne

przekształcanie energii mechanicznej i magnetycznej

zachodzi w przetwornikach z wysok

sprawno

;

- w postaci proszków po odpowiednim poł

czeniu z

ywicami,

silikonami,

gumami

itp.

–

spolaryzowaniu magnetycznym, pozwalaj

otrzyma

materiały o du

ych własno

ciach tłumi

cych.

liwe stało si

zatem uzyskanie materiałów z

programowalnymi własno

ciami mechanicznymi i

magnetycznymi, o bardzo szerokim zastosowaniu

technicznym.
2. Badanie GMM
2.1. Opis obiektu bada

Obiektem bada

były próbki z materiału typu

1-x

w postaci pr

tów o wymiarach

φ10 mm x

70 mm. Materiał ten badano tylko podczas

ciskania,

poniewa

charakteryzuje

bardzo

mał

wytrzymało

na rozci

ganie (Tab.1).

Table 1. Wybrane wła

ciwo

ci badanego materiału [1]

Magnetostriction (

)

1000 ppm (80kA/m,10MPa)

Density

9.15 – 9.25 g/cm

Young’s Modulus

25 – 65 GPa

Tensile Strength

25 MPa

Compressive Strength 260 MPa

Curie Temperature

380

2.2. Skład chemiczny, struktura

Materiał poddany został badaniom składu chemicznego

metod

EDX. Wyniki przedstawiono w table 2.

Table 2. Chemical constitution of GMM rods

Element

Quantity [at.%]

67,5

9,6

22,9

Przeprowadzono tak

e wst

pne badania XRD maj

na celu okre

lenie struktury materiału. Badania te

pozwalaj

przypuszcza

e jest to materiał o

zorientowanych wzdłu

jednej osi polikryształach.

2.3. Stymulowanie własno

ci GMM

Programowanie własno

ci terfenoli jest mo

liwe dzi

temu,

e podstawowe charakterystyki materiału zale

dzy innymi od parametrów takich jak tzw. prestress

, bias magnetic field H

Efektywne

wykorzystanie

GMM

wymaga

przeprowadzenia

identyfikacji,

szczególnie

warunkach obci

cyklicznych dominuj

cych w

zastosowaniach.

Szczególnie

kluczowe

jest

zrozumienie roli odgrywanej przez

(rys. 2) oraz H

które wpływaj

na charakter tłumienia magneto-

mechanicznego i sprawno

przetwarzania energii.

Kolejny problem, to stabilno

charakterystyk w

nast

pstwie obci

cyklicznych. Równie istotne jest

okre

lenie znaczenia innych efektów krzy

owych (np.

efektu termospr

ystego) na

ywotno

materiału.

Rys. 2. Magnetostrykcja przy ró

nych obci

eniach

wst

pnych - efekt prestress (A, B, C); [2]

Rozwa

enie

powy

szych

zagadnie

wymaga

przeprowadzenia eksperymentów polegaj

cych na:

- wyznaczeniu tłumienia wyra

onego w ró

nych

układach współrz

dnych (np.

σ-ε, ε-M, σ-∆T itp.) w

warunkach obci

cyklicznych;

- zbadaniu mo

liwo

ci programowania własno

materiałów.

Na rysunku 3 przedstawiono stanowisko [3] do tego

typu bada

składaj

ce si

- maszyny wytrzymało

ciowej, której zadaniem jest

realizowanie obci

enia próbki w postaci siły F(

ξ) lub

przemieszczenia u(

ξ);

GMM

F(t), u(t)

Load control

Strength machine

Coil

Strain optical

meter

Magnetic field

meter

Themperature

meter

Power generator

                ` 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - = Back      N / * -
             Tab  Q W D E R T Y U I O P [ ]      7 8 9
         CLock  A S D F G H J K L ; ' Ent   4 5 6
   Shift  Z X C V B N M , ./  Shift  \       1 2 3
Ctrl  Alt    SPACE    Alt  Ctrl           0 . E

Fig. 3. Schemat stanowiska do badania materiałów

typu GMM

- cewki wraz z power generator słu

cym do

wytworzenia pola magnetycznego;

- układu

optycznego

pomiaru

wielko

odkształcenia badanego materiału

ε(ξ);

- układu rejestruj

cego nat

enie pola magnetycznego

ξ) w pobli

u badanej próbki;

- układu rejestruj

cego temperatur

∆T(ξ) na

powierzchni badanego materiału, wykorzystuj

cego

semiconductor termotransducer;

- komputera steruj

cego maszyn

wytrzymało

ciow

oraz rejestruj

cego dane pomiarowe.

Stanowisko badawcze umo

liwiło zaobserwowanie:

1) efektu

magnetostrykcji

–

nast

pstwie

przyło

onego z zewn

trz cyklicznego pola

magnetycznego

∆H(ξ), rejestrowany jest sygnał

mechaniczny

∆F(ξ), ∆ε(ξ);

2) efektu odwrotnej magnetostrykcji – w nast

pstwie

przyło

onego z zewn

trz cyklicznego pola

mechanicznego,np.

∆F(ξ) lub ∆u(ξ), mierzonym

nast

pstwem jest sygnał magnetyczny

∆H(ξ); ∆T(ξ)

oraz

∆ε(ξ);

3) efektu

termospr

ystego

–

nast

pstwie

przyło

onego z zewn

trz cyklicznego pola

mechanicznego

∆F(ξ) lub magnetycznego ∆H(ξ);

4) zmian temperatury podczas trwania eksperymentów.
Na figure 4 przedstawiono przykładowy wynik

pomiaru,

przedstawiaj

zale

pola

magnetycznego od przyło

onej siły. Badanie tego typu

pozwala okre

zakres pracy sensora zbudowanego z

tego materiału.

Fig. 4. Magnetic field vs applied force (prestress

= 4.2 MPa)

LITERATURA
[1] TIANXING – http://www.txre.net

[2] MIDE – http://www.mide.com

[3] J. Bomba, J. Kaleta - Badanie własno

cyklicznych

materiałów

gigantycznej

magnetostrykcji. Stanowisko i metodyka bada

The 19th Conference of Burst Mechanics and

Fatigue, Bydgoszcz 2002

(wersja robocza)

THE INFLUENCE OF PRESTRESS ON MAGNEOTMECHANICAL DAMPING

IN GIANT MAGNETOSTRICTIVE MATERIALS

Authors: Jacek Bomba M.Sc., Jerzy Kaleta Ph.D., DSc. Eng.

Wrocław University of Technology, Institute of Materials Science and Applied Mechanics,

ul. Smoluchowskiego 25, 50-370 Wrocław

1. Introduction
Magnetostrykcja

jest

zjawiskiem

fizycznym

polegaj

cym na deformowaniu si

ciała przy zmianie

magnetyzacji (dla rozpatrywanych materiałów b

cej

skutkiem zmiany zewn

trznego pola magnetycznego).

Z literatury przedmiotu [4, 5, 6] wiadomo,

e wielko

deformacji

λ zale

y od takich parametrów, jak np.

temperatura T, przyło

one zewn

trzne napr

enie

wst

pne

nat

enie

zewn

trznego

pola

magnetycznego H oraz widmo i czas trwania

obci

enia czynnego, mechanicznego (sensor) lub

magnetycznego (aktuator).
Autorzy pracy wykorzystali nowoczesny materiał o

gigantycznej magnetostrykcji do budowy aktuatora

(Fig. 1). Urz

dzenie umo

liwia płynn

zmian

prestress

. Istotnym zadaniem było dobranie dla

konkretnego materiału GMM wła

ciwej warto

–

optymalnej ze wzgl

du na liniowo

charakterystyki

H-

λ i sprawno

przekształcania energii magnetycznej

w mechaniczn

Fig. 1. Scheme of magnetostrictive actuator; 1 – drive

rod, 2 – spring, 3 – upper cover, 4 –

magnetostrictive material, 5 – coil, 6 –housing

rods, 7 – bottom cover

2. Examinations

2.1. Description of investigated object and examination

proposal
Obiektem bada

były próbki z materiału wykazuj

cego

gigantyczn

magnetostrykcj

(GMM) [1, 2] w postaci

tów o wymiarach

φ10 mm i długo

ci 50 mm.

Pomiary miały na celu okre

lenie wpływu napr

enia

ciskaj

cego

przyło

onego wzdłu

osi próbki na

warto

ci magnetostrykcji

λ (kształt i wielko

krzywej

magnetostrykcyjnej)

zewn

trznym

polu

magnetycznym

(przy

stałej

temperaturze

zewn

trznej T w warunkach quasistatycznych).

2.2. Measurement setup
Układ pomiarowy umo

liwiał kontrol

wielko

, H,

T oraz pomiar po

redni wielko

λ przez okre

lenie

przemieszczenie ko

ca próbki

∆l.

Kontrolowan

wielko

przyło

onego do próbki

napr

enia

ciskaj

cego

zrealizowano za pomoc

maszyny hydraulicznej MTS810, która pozwala tak

na pomiar wielko

∆l. Zewn

trzne pole magnetyczne

H było generowane w układzie dwóch cewek
elektromagnetycznych w zakresie

±130 kA/m. Pomiar

składowych

wielko

pola

magnetycznego

realizowany był za pomoc

sondy Hall’a. Wszystkie

sygnały były rejestrowane przez komputer pomiarowy

wyposa

ony w 16-bitow

kart

pomiarow

Pomiary wykonano dla

= {1; 4; 7; 10; 13; 16; 19;

22; 25; 28; 31; 34; 37; 40} MPa przy T = 20

3. Results
Dane eksperymentalne zostały poddane obróbce

z wykorzystaniem pakietu pomiarowego HPVEE 5.0.
Na rysunku 2 przedstawiono

wyniki pomiarów

zale

ci wybranych krzywych magnetostrykcji

od nat

enia zewn

trznego pola magnetycznego H dla

napr

enia wst

pnego

= {4; 10; 13; 19} MPa przy

temperaturze T = 20

-140

-105

-70

-35

105

140

200

400

600

800

1000

1200

1400

-6

]

H [kA/m]

4MPa 20C
10MPa 20C

13MPa 20C
19MPa

Fig. 2. Influence of prestress on magnetostriction [3]

Na rysunku 3 przedstawiono zale

magnetostrykcji

λ od warto

ci nat

enia pola magnetycznego H, dla

ró

nych warto

ci napr

enia wst

pnego

. Wszystkie

analizowane rezultaty uzyskano dla temperatury

T = 20

C. Rysunek 3 prezentuje rezultaty dla

wybranych warto

równych odpowiednio {1; 4;

10; 16; 19; 25; 40} MPa. Wyra

nie widoczne s

ró

nice w zakresie uzyskanych maksymalnych warto

λ oraz warto

ci pól histerezy w układzie

współrz

dnych H-

λ. Rezultaty te zestawiono

na rysunku 4. Maksymalne warto

λ zmieniały si

-4

(dla

H = 20 kA/m)

1,2

-3

(dla

H = 120 kA/m). Krzywoliniowy charakter przebiegu

λ(H) uzyskiwał stan nasycenia (maksimum) dla
napr

wst

pnych z przedziału

= 5

÷ 10 MPa.

100

120

140

200

400

600

800

1000

1200

1400

-6

]

H [kA/m]

1MPa

4MPa
10MPa

16MPa

19MPa
25MPa

40MPa

Fig. 3. Influence of prestress on magnetostriction

(T = 20

C) [3]

200

400

600

800

1000

1200

-6

]

[MPa]

20kA/m

40kA/m

60kA/m

80kA/m

100kA/m

120kA/m

Fig. 4. Magnetostriction vs prestress at different

magnetic field intensity [3]

Nast

pnie rozwa

ono wpływ

na warto

tłumienia,

co obrazuje rysunek 5. Za miar

tłumienia

∆W przyj

pole p

tli histerezy (jedynie dla dodatnich odcinków

λ i

H) w układzie współrz

dnych

λ-H. Jednostk

tak

rozumianego tłumienia jest zatem [A/m

m/m]. Wyniki

na rysunku prezentuj

wybrany przypadek, gdy

przyło

ono do próbki pole magnetyczne o nat

eniu

H = 130 kA/m. Na rysunku 5 widoczny jest wzrost
warto

ci tłumienia

∆W w przedziale do σ

= 10 MPa, a

nast

pnie sukcesywny, prawie liniowy, jego spadek, a

warto

∆W = 10 A/m m/m. Istotne jest

zestawienie wyników warto

∆W odniesionych do

pól pod krzywymi magnetostrykcji

∆W

. Łatwo

zauwa

e stosunek ten przyjmuje wzgl

dnie mał

warto

(rz

du 25

÷ 26%) – a wiec du

sprawno

przekształcania energii magnetycznej w mechaniczn

–

przy warto

ci napr

enia wst

pnego

≈ 10 ÷ 13 MPa.

W rezultacie przyj

to,

e w układzie pomiarowym

zastosowane zostanie ostatecznie

= 10 MPa. Nale

zauwa

e zbli

one warto

ci uzyskano tak

e w [4].

Fig. 7. Magnetomechanical damping vs prestress

(H = 130 kA/m)

4. Conclusions
1. Badania wykazały istotny wpływ

charakterystyki magnetostrykcyjne oraz ilo

dyssypowanej energii w badanym GMM. Okre

lono

szeroki

zakres

liniowy

charakterystyki

magnetomechanicznej w układzie współrz

dnych

H-

λ.

2. Badania pozwoliły na okre

lenie optymalnego, pod

wzgl

dem liniowo

ci charakterystyki jak i

maksymalnej warto

ci magnetostrykcji, obszaru

napr

wst

pnych

= 10

÷ 13 MPa.

Ostatecznie przyj

to, bior

c pod uwag

warto

tłumienia,

e optymalne napr

enie wst

pne w

zbudowanym

wzbudniku

powinno

wynosi

= 10 MPa. Pozwoliło to na zwi

kszenie

sprawno

ci przekształcania energii magnetycznej w

mechaniczn

w samodzielnie

wykonanym

wzbudniku.

3. Nast

pnym krokiem autorów b

dzie budowa układu

sterowania akturatorem, który umo

liwi praktyczne

wykorzystanie go.

LITERATURE

[1] Bomba J., Kaleta J. (2002a): Badanie własno

ci cyklicznych materiałów o

gigantycznej magnetostrykcji. Stanowisko i metodyka bada

., XIX

Sympozjum Zm

czenie i Mechanika P

kania, Bydgoszcz, Poland.

[2] Bomba J., Kaleta J. (2002b): Giant magnetostrictive materials (GMM) as a

functional material for construction of sensors and actuators., 19th

DANUBIA-ADRIA Symposium on Experimental Methods in Solid

Mechanics, September 25-28 2002, Polanica Zdrój, Poland.

[3] Bomba J., Kaleta J., Sawa P. (2003): Wpływ napr

&('

wst

pnych na

zjawiska mgnetomechaniczne w materiałach o gigantycznej

magnetostrykcji., II Sympozjum Mechaniki Zniszczenia Materiałów i

Konstrukcji, 4-7.06.2003, Augustów, Poland.

[4] Engdahl G. (2000): Handbook of Giant Magnetostrictive Materials,

Academic Press, Stockholm

[5] Jiles D. (1995): Introduction to Magnetism and Magnetic Materials,

Chapman & Hall, London.

[6] Tremolet de Lacheisserie (1993): Magnetostriction: Theory and

Applications of Magnetoelasticity, CRC Press, Boca Raton.

INVESTIGATION OF MAGNETOSTRICTIVE ACTUATOR

Authors: Jacek Bomba MSc Eng, Jerzy Kaleta PhD, DSc Eng., Paweł Sawa

Wrocław University of Technology, Institute of Materials Science and Applied Mechanics,

ul. Smoluchowskiego 25, 50-370 Wrocław

1. Introduction
Magnetostriction is a physical phenomenon that can be

described as the deformation of a body in response to

a change in its magnetisation, which changes due to a

change of external magnetic field. From the other
papers [4, 5, 6] it is well known that deformation

depends on such parameters as temperature T, applied
external stress

(prestress), external magnetic field

intensity H, mechanical and magnetic load spectrum.

-140

-105

-70

-35

105

140

200

400

600

800

1000

1200

1400

-6

]

H [kA/m]

4MPa 20C
10MPa 20C

13MPa 20C
19MPa

Fig. 1. Influence of prestress on magnetostriction [3]

The

authors

applied

advanced

giant

magnetostrictive material Terfenol-D [1, 2] to an

actuator construction [7,8]. The device enables a
smooth change of prestress

(Fig. 1) and magnetic

field H. It is assumed that the actuator should enable

loads with broad spectrum of frequencies. Mass of a

device should be minimal, it should offer large forces

with possible large amplitudes and high efficiency.

2. Examinations
2.1. Description of investigated object and examination

proposal
Magnetostrictive actuator [7,8] including GMM rod of
Terfenol-D [1]

φ10 mm x 100 mm size was examined.

The tests were aimed at measuring displacement

∆l

along the rod-axis due to change magnetic field

intensity H(t) in magnetic coil, at different frequency

values f (constant temperature and prestress value –

13 MPa).

2.2. Measurement stand
The measurement stand (Fig. 2) enabled a control of

, H(t) and a measurement of the end of the GMM rod

acceleration, while the other end was fixed.
Displacement

∆l of the GMM rod and the actuator

attachment bolt was calculated from an acceleration

sensor by double integration the collected signal.

ICP AMPLIFIER

PCB ICP 583

HI-POWER AMPLIFIER

+/- 40V

FREQUENCY

GENERATOR

MEASUREMENT

BOARD

DT9800

SIGNAL AMPLIFIER

x100/200/500/1000

ACCELEROMETER

Fig. 2. Measurement arrangement

The stand (Fig. 2) consisted of magnetostrictive

actuator, controlled power supply including hi-power

amplifier and Metex MS-9140 frequency generator,

PCB 336C accelerometer with PCB ICP 583 ICP

amplifier, a special resistor with amplifier for obtaining

magnetic field and measurement board DT9800.
The control of

was realised by a special screw and a

constant-force disk spring. The used stress value was

13 MPa.

The magnetic filed was generated by the coil in the
range of

±26 kA/m. A signal of H(t) was controlled by

the arrangement of the hi-power amplifier and the

frequency generator. The arrangement allowed to

control current in magnetic coil. By controlling current

we can control the magnetic field inside the coil.

Current was obtained by measure of voltage drop on a

special resistor R. Under control was both amplitude

and frequency of the current.
A signal of

∆l was obtained from double integral of

acceleration signal. Acceleration was measured by

PCB 336C accelerometer connected with PCB ICP 583

ICP amplifier. The accelerometer enables measurement

in range of 10 – 1000 Hz and a resolution 0.001 g.

The data was collected by PC workstation equipped

with Data Translation 9800 16-bit measurement board.

The measurements were performed for f = {10; 20; 30,
70, 100, 200} MPa at T = 20

C and

= 13MPa.

3. Results
The data was processed with use of HPVee 5.0

software. Collected data processing enabled obtaining

displacement of actuator attachment bolt and real

magnetic field intensity value inside the coil affecting

the Terfenol-D rod. Integration of acceleration signal

was performed with FFT.
Fig. 3 shows a selected result of magnetic field

intensity H vs displacement curve for the frequency of
20 Hz at a prestress

= 13 MPa, T = 20

C. Quite high

of damping compare to static curves [7] is evident. It is

due to frequency dependence of magnetostrictive

curves.

Fig. 3. Magnetic field intensity H vs displacement

(

= 13 MPa, T = 20

Fig. 4 shows the result of magnetic field intensity H vs

displacement curve for the same frequency as previous

but in presence of bias magnetic field (offset) 13.2

kA/m. This result is much satisfactory for controlling

of displacement in magnetostrictive actuator.

Fig. 4. Magnetic field intensity H vs displacement –

offset H = 13.2 kA/m (

= 13 MPa, T = 20

4. Conclusions
1. The investigations showed the significant influence

of frequency and bias magnetic field on the shape of

magnetostrictive curves and quantity of dissipated

energy in GMM. The frequency of magnetostrictive

actuator in current configuration of coil and power

supply was obtained as 200 Hz.

2. The tests enabled to obtain magnetic field intensity

vs displacement curves for magnetostrictive actuator

modelling.

LITERATURE
[1] Bomba J., Kaleta J. (2002): Badanie własno

)

cyklicznych

materiałów

gigantycznej

magnetostrykcji. Stanowisko i metodyka bada

XIX Sympozjum Zm

czenie i Mechanika P

kania,

Bydgoszcz, Poland.

[2] Bomba J., Kaleta J. (2002): Giant magnetostrictive

materials (GMM) as a functional material for

construction of sensors and actuators., 19th

DANUBIA-ADRIA Symposium on Experimental

Methods in Solid Mechanics, September 25-28

2002, Polanica Zdrój, Poland.

[3] Bomba J., Kaleta J., Sawa P. (2003): Wpływ

napr

wst

pnych

zjawiska

mgnetomechaniczne w materiałach o gigantycznej

magnetostrykcji., II Sympozjum Mechaniki

Zniszczenia

Materiałów

Konstrukcji,

4-7.06.2003, Augustów, Poland.

[4] Engdahl G.

(2000):

Handbook

Giant

Magnetostrictive Materials, Academic Press,

Stockholm.

[5] Jiles D. (1995): Introduction to Magnetism and

Magnetic Materials, Chapman & Hall, London.

[6] Tremolet de Lacheisserie (1993): Magnetostriction:

Theory and Applications of Magnetoelasticity,

CRC Press, Boca Raton.

[7] Bomba J., Kaleta J., Sawa P. (2003): – The

Influence of Prestress on Magnetomechanical

Damping in Giant Magnetostrictive Materials.;

20th

DANUBIA-ADRIA

Symposium

Experimental Methods in Solid Mechanics, 24-

27.09.2003, Gyor, Hungary (ISBN 963-9058-20-3)

[8]

Bomba J.,

Kaleta J.,

(2003):

–

Giant

Magnetostrictive Materials (GMM) - Functional

Materials for Sensors and Actuators.; Workshop

SMART'03, Jadwisin 2-5.09.2003; AMAS

“Conference Proceedings”, Warsaw, Poland