Terfenol-D - Terfenol-D
Tb x Dy 1− x Fe 2 ( x ≈ 0.3) formülüne sahip bir alaşım olan Terfenol-D , manyetostriktif bir malzemedir. İlk olarak 1970'lerde Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Donanma Mühimmat Laboratuvarı tarafından geliştirildi . Malzemeyi verimli bir şekilde üretme teknolojisi, 1980'lerde ABD Donanması tarafından finanse edilen bir program kapsamında Ames Laboratuvarı'nda geliştirildi . Terbiyum , demir (Fe), Deniz Mühimmat Laboratuvarı (NOL) adını almıştır ve D, disprosyumdan gelir .
Fiziki ozellikleri
Alaşım , doygunlukta 0.002 m/m'ye kadar , herhangi bir alaşımın en yüksek manyetostriksiyonuna sahiptir ; manyetik alanda genişler ve büzülür. Terfenol-D, büyük bir manyetostriksiyon kuvvetine, yüksek enerji yoğunluğuna , düşük ses hızına ve düşük Young modülüne sahiptir . En saf haliyle, aynı zamanda düşük sünekliğe ve düşük kırılma direncine sahiptir. Terfenol-D, her zaman Tb x Dy 1− x Fe 2 formülünü izleyen temel bileşenlerinin farklı olası oranlarına sahip gri bir alaşımdır . Disprosiyum ilavesi, alaşımın daha düşük seviyede manyetik alan gerektirmesini sağlayarak manyetostriktif tepkileri indüklemeyi kolaylaştırdı. Tb ve Dy oranı artırıldığında ortaya çıkan alaşımın manyetostriktif özellikleri −200 °C'ye kadar düşük sıcaklıklarda çalışacak ve düşürüldüğünde maksimum 200 °C'de çalışabilecektir. Terfenol-D'nin bileşimi, kendisine bir manyetik alan uygulandığında büyük bir manyetostriksiyona ve manyetik akıya sahip olmasını sağlar. Bu durum , basınç gerilimi arttıkça manyetostriksiyonda azalma eğilimi ile birlikte, geniş bir sıkıştırma gerilimi aralığı için mevcuttur . Manyetik akı ile sıkıştırma arasında, sıkıştırma gerilimi arttığında manyetik akının daha az önemli ölçüde değiştiği bir ilişki de vardır. Terfenol-D, çoğunlukla manyetostriktif özellikleri nedeniyle kullanılır ve manyetizasyon adı verilen bir süreçte manyetik alanlara maruz kaldığında şekil değiştirir . Manyetik ısıl işlemin, belirli Tb ve Dy oranları için düşük sıkıştırma stresinde Terfenol-D'nin manyetostriktif özelliklerini iyileştirdiği gösterilmiştir.
Uygulamalar
Malzeme özelliklerinden dolayı Terfenol-D, düşük frekanslı, yüksek güçlü su altı akustiği üretiminde kullanım için mükemmeldir. İlk uygulaması deniz sonar sistemlerindeydi. Yüksek enerji yoğunluğu ve geniş bant genişliği yetenekleri nedeniyle manyetomekanik sensörler, aktüatörler ve akustik ve ultrasonik dönüştürücülerde uygulama görür , örneğin SoundBug cihazında ( FeONIC tarafından ilk ticari uygulaması ). Bu suş başka normal olarak kullanılan bir materyal (bu da daha büyük olan PZT8 Terfenol-D dönüştürücüler geçen transdüser daha okyanus keşifler için daha büyük derinliklere ulaşmak için izin verir). Düşük Young Modülü, 1000 ft derinliğe ulaşabilen ve yalnızca yaklaşık 1 dB'lik küçük bir doğruluk miktarını kaybeden dönüştürücü tasarımlarında üstesinden gelinen, büyük derinliklerde sıkıştırma nedeniyle bazı komplikasyonlar getirir. Yüksek sıcaklık aralığı nedeniyle Terfenol-D, ortamın yüksek basınç ve yağ delikleri gibi sıcaklıklara ulaşabileceği derin delikli akustik dönüştürücülerde de kullanışlıdır. Terfenol-D , yüksek gerilim ve yüksek kuvvet özelliklerinden dolayı hidrolik valf sürücüleri için de kullanılabilir . Benzer şekilde manyetostriktif aktüatörlerin de üretilebilecek yüksek gerilimler nedeniyle dizel motorlar için yakıt enjektörlerinde kullanılması düşünülmüştür .
Üretme
Terfenol-D'nin dönüştürücülerde kullanımının artması, orijinal yöntemlerin güvenilmez ve küçük ölçekli olması nedeniyle üretim oranlarını ve kaliteyi artıran yeni üretim tekniklerini gerektirdi. Terfenol-D'yi üretmek için kullanılan serbest zon ergitme, modifiye Bridgman, sinterlenmiş toz kompakt ve polimer matrisli kompozitler olmak üzere dört yöntem vardır.
İlk iki yöntem, serbest zon ergitme (FSZM) ve modifiye Bridgman (MB), yüksek manyetostriktif özelliklere ve enerji yoğunluklarına sahip Terfenol-D üretme yeteneğine sahiptir. Bununla birlikte, FSZM , Terfenol-D'nin yüzey gerilimi ve FSZM işleminin malzemeyi kısıtlayacak bir kabı olmaması nedeniyle çapı 8 mm'den daha büyük bir çubuk üretemez . MB işlemi minimum 10 mm çap boyutu sunar ve yalnızca kristal büyümesine müdahale eden duvar nedeniyle sınırlıdır . Her iki yöntem de, dik açılı silindir dışında bir geometriye ihtiyaç duyulduğunda daha sonra üretim gerektiren katı kristaller oluşturur. Üretilen katı kristaller ince katmanlı bir yapıya sahiptir .
Diğer iki teknik, sinterlenmiş toz kompakt ve polimer matrisli kompozitler , toz bazlıdır. Bu teknikler karmaşık geometri ve ayrıntılara izin verir. Ancak kullanılan kalıplar nedeniyle ebat 10mm çap ve 100mm uzunluk ile sınırlıdır. Bu toz bazlı yöntemlerin elde edilen mikro yapıları, katı kristal olanlardan, lamelli bir yapıya sahip olmadıkları ve daha düşük bir yoğunluğa sahip oldukları için farklıdır . Ancak, tüm yöntemler benzer manyetostriktif özelliklere sahiptir.
Boyut kısıtlaması nedeniyle MB, Terfenol-D'yi üretmek için en iyi süreçtir, ancak emek yoğun bir yöntemdir. MB gibi daha yeni bir süreç , daha büyük çaplı Terfenol-D kristalleri ve artan manyetostriktif performans ile sonuçlanan ET-Ryma kristal büyümesidir (EKG). Malzemenin ömrü boyunca Terfenol-D'nin manyetostriktif özelliklerinin güvenilirliği ET-Ryma kullanılarak artırılır.
Terfenol-D'nin malzeme özelliklerinden kaynaklanan bazı küçük dezavantajları vardır. Terfenol-D düşük sünekliğe ve düşük kırılma direncine sahiptir. Bunu çözmek için, kompozitler oluşturmak için polimerlere ve diğer metallere Terfenol-D eklenmiştir. Polimerlere eklendiğinde elde edilen kompozitin sertliği düşüktür. Terfenol-D'nin sünek metal bağlayıcılarla kompozitleri oluşturulduğunda, elde edilen malzeme, azaltılmış manyetostriktif özelliklerle birlikte artan sertliğe ve sünekliğe sahiptir. Bu metal kompozitler patlamalı sıkıştırma ile oluşturulabilir . Terfenol-D alaşımlarının işlenmesi üzerine yapılan bir çalışmada, bakır ve Terfenol-D kullanılarak oluşturulan elde edilen alaşımların artan mukavemet ve sertlik değerlerine sahip olması, sünek metal bağlayıcıların ve Terfenol-D'nin kompozitlerinin daha güçlü ve daha sünek olduğu teorisini desteklemektedir. malzeme.