자기 변형

Magnetostriction

자기 구속(cf).전기마찰)은 자화 과정에서 자성체의 모양이나 치수를 변화시키는 자성체의 특성입니다.자계에 의한 재료의 자화 변동은 포화값 θ에 이를 때까지 자성 변형률을 변화시킨다.그 효과는 1842년 James Joule에 의해 [1]철 샘플을 관찰했을 때 처음 확인되었습니다.

이 효과는 민감한 강자성 코어의 마찰 가열로 인해 에너지 손실을 일으킵니다.이 효과는 또한 진동하는 AC 전류가 변화하는 [2]자기장을 생성하는 변압기에서 들리는 낮은 음의 윙윙거리는 소리에 기인합니다.

설명.

내부적으로 강자성 재료는 도메인으로 분할된 구조를 가지고 있으며, 각 영역은 균일한 자화 영역입니다.자기장이 적용되면 도메인 간의 경계가 이동하고 도메인이 회전합니다. 이 두 효과 모두 재료의 치수에 변화를 일으킵니다.물질의 자기 영역의 변화가 물질의 치수에 변화를 가져오는 이유는 자기 결정 이방성의 결과입니다; 결정성 물질을 다른 방향보다 한 방향으로 자화하는 데 더 많은 에너지가 필요합니다.재료에 쉬운 자화축에 대한 각도로 자기장이 적용되면 재료는 시스템의 자유 에너지를 최소화하기 위해 쉬운 축이 필드에 정렬되도록 구조를 재정렬하는 경향이 있습니다.서로 다른 결정 방향이 서로 다른 길이와 연관되어 있기 때문에, 이 효과는 재료에 [3]변형을 유발합니다.

역학적 응력을 받았을 때 물질의 자기 감수성(적용된 자기장에 대한 반응)의 변화인 상호 효과를 빌라리 효과라고 합니다.다른 두 가지 효과는 자기저항과 관련이 있습니다. 마테우치 효과는 토크를 가했을 때 자기저항 재료의 감수성에 대한 나선 이방성을 생성하는 것이며, 비데만 효과는 나선 자기장이 적용될 때 이러한 재료의 비틀림입니다.

빌라리 반전은 약 40kA/m의 자기장에 노출되었을 때 철의 자기 구속이 양에서 음으로 바뀌는 신호입니다.

자화 시에 자성 재료는 10단계의−6 작은 부피 변화를 일으킨다.

자기저항 히스테리

반도체 스트레인 게이지로 측정한 전력 응용용 Mn-Zn 페라이트 자기저항 이력 루프

플럭스 밀도와 마찬가지로, 자성 또한 자기장의 강도에 대한 이력(hysteresis)을 나타냅니다.이 히스테리시스 루프('드래곤플라이 루프'라고 함)의 모양은 자일스-애더턴 [4]모델을 사용하여 재현할 수 있습니다.

자성 재료

자기회로(외부)를 완성하는 자성재료(내부), 자성코일 및 자성인클로저(외부)로 이루어진 변환기의 컷어웨이

자기저항성 물질은 자기 에너지를 운동 에너지로 변환하거나 그 반대로 변환할 수 있으며 액추에이터와 센서를 만드는 데 사용됩니다.이 성질은 자기저항계수 θ로 정량할 수 있으며, 이는 양수 또는 음수일 수 있으며 재료의 자화가 0에서 포화값으로 증가함에 따라 길이의 부분적인 변화로 정의된다.이 효과는 변압기와 고출력 전기 장치 근처에서 들리는 익숙한 "전기 웅웅"(Listen (help·info)"의 원인이 됩니다.

코발트는 60 마이크로스트레인에서 순수 원소 중 가장 큰 실온 자기저항을 보입니다.Terfenol-D는 Terbium, Fe는 철, Naval Weonance Laboratory는 NOL, D는 디스프로슘으로 알려진 합금 중 가장 높은 자기저항을 나타낸다.테르페놀-D TbDyFe는x1-x2 실온에서 160kA/m(2kOe)의 필드에서 약 2,000개의 마이크로스트레인(microstrain)을 나타내며, 가장 일반적으로 사용되는 엔지니어링용 자성 [5]재료입니다.FeGa의x1-x Galfenol과 FeAl의x1-x Alfer는 낮은 적용 필드(~200 Oe)에서 200~400 마이크로스트레인(microstrain)을 보이는 새로운 합금이며, 메짐성 Terfenol-D의 기계적 특성을 강화했습니다.두 합금 모두 자기저항을 위한 <100>의 쉬운 축을 가지고 있으며 센서 및 액추에이터 [6]용도에 적합한 충분한 연성을 보여줍니다.

박판 자성 합금을 사용하여 개발된 위스커 유량 센서의 개략도.

또 다른 매우 일반적인 자기저항성 복합체는 Metglas 2605SC라는 상표명을 가진 비정질 합금813.513.52 FeSiBC입니다.이 재료는 약 20마이크로스트레인 이상의 높은 포화자기저항상수 δ와 1kA/m 미만의 낮은 자기 이방성 강도A H(자기포화도 도달)가 바람직하다.또한 Metglas 2605SC는 유효 영률이 최대 80%까지 감소하여 매우 강한 δE 효과를 나타낸다.이를 통해 에너지 효율이 뛰어난 자기 MEMS를 [citation needed]구축할 수 있습니다.

코발트 페라이트인 CoFeO24(CoO·FeO23)도 높은 포화 자기저항(최대 200ppm)[7]으로 센서, 액추에이터 등 자기저항 용도에 주로 사용된다.희토류 원소가 없을 경우 테르페놀-D를 [8]대체할 수 있습니다.또, 자성 단축 [9]이방성을 유도하는 것으로, 그 자성 특성을 조정할 수 있다.이는 자기 어닐링,[10] 자기장 보조 [11]압축 또는 단축 [12]압력에서의 반응에 의해 수행될 수 있습니다.이 마지막 용액은 스파크 플라즈마 소결 사용으로 초고속(20분)이라는 장점이 있습니다.

제2차 세계대전 중 초기 음파 탐지기에서는 니켈이 자성 물질로 사용되었습니다.니켈 부족을 완화하기 위해 일본 해군은 알팜 계열의 철-알루미늄 합금을 사용했다.

자기저항합금의 기계적 거동

미세구조가 탄성변형에 미치는 영향

단결정 합금은 우수한 미세스트레인(microstrain)을 나타내지만 대부분의 금속의 이방성 기계적 특성으로 인해 항복에 취약합니다.마이크로스트레인용 우선 입자의 면적 커버리지가 높은 다결정 합금의 경우 자성 합금의 기계적 특성(연성)을 크게 개선할 수 있는 것으로 관찰되었습니다.목표된 야금 가공 단계는 자기 변형 시 자기 영역 정렬을 위한 두 개의 쉬운 축을 포함하는 갈페놀 및 알페놀 박판에서 {011}개의 입자의 비정상적인 성장을 촉진합니다.잉곳 초기 냉매 주조 시 붕화물 종 및 탄화 니오브(NbC)와 같은 입자를 추가하면 이를 달성할 수 있습니다.

다결정 합금의 경우, 알려진 방향성 미세 변형률 측정에서 확립된 자성 δ 공식은 다음과 같습니다.[15]

λs = 1/5100 (2µ111+3µ)

자기저항합금이 파손으로 변형됨

이후의 열간 압연 및 재결정 공정에서 입자 강화는 입자 경계에 HS 대기에2 의해 보조되는 아닐 공정에서 정상적인(stochastic) 입자 성장을 저해하는 "핀" 힘을 입자에 도입하는 것이 발생합니다.따라서 단결정상 텍스처(90%{011}입자 커버리지)를 얻을 수 있어 자기영역 얼라인먼트에 대한 간섭을 줄이고 반도체 스트레인 [16]게이지로 측정함으로써 다결정 합금의 마이크로스트레인(microstrain)을 증가시킬 수 있다.이러한 표면 텍스처는 전자 후방 산란 회절(EBSD) 또는 관련 회절 기술을 사용하여 시각화할 수 있습니다.

도메인 정렬을 유도하는 압축 응력

액추에이터 애플리케이션의 경우, 자기 모멘트의 최대 회전이 가능한 최대 자성 출력으로 이어집니다.이는 응력 어닐링 및 필드 어닐링과 같은 처리 기술을 통해 달성할 수 있습니다.그러나 응력이 좌굴 한계 미만인 한 작동에 수직인 정렬을 유도하기 위해 얇은 시트에도 기계적 프리스트레스를 적용할 수 있다.예를 들어 최대 50MPa의 압축 프리스트레스를 가하면 자기저항이 최대 90%까지 증가할 수 있다는 것이 입증되었습니다.이는 적용된 스트레스에 수직인 영역의 초기 정렬에서 "점프"가 발생하고 적용된 [17]스트레스에 평행한 최종 정렬이 개선되었기 때문이라고 가정된다.

자성 재료의 구성 거동

이러한 재료는 일반적으로 적용된 자기장 또는 응력의 변화에 따른 비선형 거동을 보여줍니다.작은 자기장의 경우 선형 압자성[18] 구성 거동으로 충분하다.비선형 자기 거동은 Preisach[19] 모델 및 Jiles-Atherton [20]모델과 같은 고전적인 거시적 모델을 사용하여 포착된다.자기역학적 거동을[21] 포착하기 위해 암스트롱은 "에너지 평균" 접근법을 제안했다.더 최근에는 와히 [22]외 연구진.에서는 "정확한 선형화" 방식을 사용하여 구성 행동을 포착하는 계산 효율적인 구성 모델을 제안했습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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