Magnetostriction: Materials and Applications (in Portuguese)

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Curso apresentado na 1ª Semana de Engenharia de Materiais da UNIFEI de Itabira.

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1 Semana de Engenharia de Materiais UNIFEI - ITABIRA

Seminrio:

Magnetostrico: Materiais e AplicaesEng. Claudio T. dos Santos Universidade de So Paulo Escola de Engenharia de Lorena

2012

O que magnetostrico?

Deformao elstica na presena de um campo magntico aplicado magnetostrico de JouleH

L L + L Magnetostrico produzida pela aplicao de um campo magntico H e a curva obtida pela variao senoidal do campo. 2

O que magnetostrico?

(a)

Diagrama esquemtico da magnetostrico.Dapino, Enc. Smart Materials (2002), p. 600-620.

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O que magnetostrico?

(a)

0

(b)

Diagrama esquemtico da magnetostrico.Dapino, Enc. Smart Materials (2002), p. 600-620.

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O que magnetostrico?e (a)

0 s

(b)

(c) HDiagrama esquemtico da magnetostrico.Dapino, Enc. Smart Materials (2002), p. 600-620.

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Outros Efeitos Magnetostrictivos

Mudana das propriedades magnticas com a aplicao de tenso mecnica Efeito Villari. Efeito Wiedemann toro ocasionada por magnetizao helicoidal. Efeito Matteuci mudana da magnetizao helicoidal quando submetido a toro. Efeito E variao do mdulo de elasticidade do material com a aplicao do campo.6

Outros Efeitos MagnetostrictivosEspontnea Magnetostrico de Joule Induzida Transversal Efeito Wiedemann Efeito Matteuci

Longitudinal

MAGNETOSTRICO

Efeito Villari 7

Outros Efeitos Magnetostrictivos

Relao entre a magnetostrico de Joule e o Efeito Villari (efeitos direto e inverso):Permeabilidade magntica

Campo magntico H

Magnetizao B

Magnetostrico de Joule

= SH + Hd B = d + H

Efeito Villari

Deformao

SH, Elasticidade (Mdulo de Young, coeficiente de Poisson)

Tenso

Eda et al., Enc. Smart Materials (2002), p. 503-519.

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Origem da Magnetostrico

Origem no acoplamento spin-rbita interao entre o momento angular orbital e o spin.

Alinhamento do momento angular orbital e spin.

Dapino, Enc. Smart Materials (2002), p. 600-620.

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Histrico e Caractersticas

Descoberta por Joule trabalho 1842 mudana no comprimento de uma barra de Fe com aplicao de H. Anloga piezoeletricidade mas geralmente de menor magnitude (da ordem de ppm). Efeito mais conhecido vibrao e rudo dos transformadores em operao indesejvel. Propriedade intrnseca e anisotrpica que no degrada com o tempo e fornece resposta imediata.10

Importncia para a Engenharia de MateriaisMateriais com magnetostrico nula aplicao em transformadores e circuitos magnticos. Materiais com magnetostrico gigante aplicao em sensores, atuadores e aproveitadores de energia.

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Medida da Magnetostrico

Magnetostrico espontnea (0) Magnetostrico induzida por campo ()

Linear

Longitudinal: L = (L/L)// Transversal: T = (L/L) = L/2 Isotrpica: = L + 2 T Anisotrpica (forada)

L T

H

Volumtrica: = V/V

12

Curva da Magnetostrico Longitudinal e Transversal

A curva versus H caracteriza a magnetostrico de um material. Depende do material, do processamento trmico e/ou mecnico e da microestrutura.

2 S = L T 3L T 213

Mtodos de Medida de Magnetostrico

Mtodos microscpicos

Difrao de raios X e difrao de nutrons Vantagens: Determinam magnetostrico intrnseca (escala atmica) Permitem amostras na forma de p Desvantagens: Rearranjo das configuraes fsicas do equipamento medida dispendiosa. No consideram estrutura de defeitos resoluo mais limitada.14

Mtodos de Medida de Magnetostrico

Mtodos Macroscpicos

Extensmetros (strain gauges) medem pela mudana da resistncia eltrica de um material de referncia.

Silva, IFGW Unicamp (2000), p. 36.

15

Mtodos de Medida de MagnetostricoVantagens:

Mtodo relativamente simples. Precisa de amostras maiores e superfcie plana. Sensibilidade ao campo magntico.

Desvantagens:

Silva, IFGW Unicamp (2000), p. 37.

16

Mtodos de Medida de Magnetostrico

Dilatometria de Capacitncia

Princpio: amostra dcapacitor C

Vantagens: Alta resoluo Amostras pequenas Mede dilatao e contrao Desvantagens:

Requer preparao da amostra

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Mtodos de Medida de Magnetostrico

Dilatometria de Capacitncia: um dos mtodos mais sensveis at 0,001 ppm:

L d C

Dilatmetro de placa inclinada Ponte de capacitncia de alta preciso (5 x 10-7 pF)

Medida longitudinal e transversal

18

Mtodos de Medida de MagnetostricoSuporte Sada para bomba de vcuo

Hlio lquido

Nitrognio lquido

Magneto de T Dilatmetro VTI

Sistema de medida (criognico).

Criostato do sistema MagLab

Campo at 9 tesla. 19

Mtodos de Medida de MagnetostricoEntrada de gs Suporte Sada para bomba de vcuo

Cmara guia

Bobina Plos magnticos

Dilatmetro

Sistema Maglab Oxford

Sistema de medida (refrigerado gua).

Eletromagneto LakeShore EM -HVA

Campo at 1 tesla.

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Critrio de Seleo dos Materiais Magnetostrictivos

Elevada magnetostrico. Coeficiente de acoplamento magnetoelstico (k) ~100% eficincia da converso entre as energias magntica e elstica. TC bem acima da faixa de temperatura de operao. Elevado mdulo de elasticidade E para suportar cargas elevadas. Elevada magnetizao de saturao MS (ou induo de saturao BS). Baixa anisotropia magnetocristalina.21

Propriedades dos Materiais Magnetostrictivos

Em percentagem de deformao, 100 partes por milho (100 ppm ou 100 x 10-6) equivalente, por exemplo, deformao de 10 cm em uma barra de 1 km.

Dapino, Enc. Smart Materials (2002), p. 600-620.

22

Histrico dos Materiais Magnetostrictivos

Classe de materiais inteligentes que podem converter energia magntica em elstica. Transdutores natureza bidirecional da troca de energia. Primeiros materiais: Ni e suas ligas ( = -50 ppm). Aplicao em sonares durante a II Guerra Mundial.

23

Histrico dos Materiais Magnetostrictivos

Grande avano em 1963 descoberta da magnetostrico gigante nos terras-raras Tb, Dy e Sm. Deformaes da ordem de 10000 ppm!! Desvantagem: necessidade de temperaturas criognicas devido baixa TC. Aumento da popularidade dos piezoeltricos retardou o desenvolvimento dos magnetostrictivos.24

Histrico dos Materiais Magnetostrictivos

Pesquisa retomada nos anos 1970. O Ni, Co e Fe foram combinados com Tb e Dy para tentar aumentar TC. Compostos Tb-Fe e Dy-Fe foram os nicos que exibiram aumento de TC sem grande reduo de . Composto TbFe2 (Terfenol) atingiu 3000 ppm em temperatura ambiente! Problema: elevada anisotropia magnetocristalina e elevado campo de saturao.25

Terfenol-D

TbFe2 e DyFe2 tem anisotropias magnetocristalinas de sinais opostos e de mesmo sinal. A. E. Clark e colaboradores descobriram combinao otimizada de TbFe2 e DyFe2. Mnima anisotropia sem grande prejuzo de .

Magnetostrico de TbxDy1-xFe2 policristalino em temperatura ambiente.

26

Dapino, Enc. Smart Materials (2002), p. 600-620.

Terfenol-D

Tb0,3Dy0,7Fe2 Terfenol-D (Ter = trbio, Fe = ferro, NOL = Naval Ordnance Laboratory, D = disprsio). Magnetostrico total de cerca de 1600 ppm em temperatura ambiente! Tornou-se o mais importante material magnetostrictivo.

27

Terfenol-D

Opera sob pr-carga de compresso.

Entrema Products Inc.

Eda et al., Enc. Smart Materials (2002), p. 503-519.

28

Terfenol-D

Fabricantes:

Etrema Products e EDO (EUA) TDK e Toshiba (Japo) Gansu Tianxing (China) Mais 8 empresas no mundo Barras, filmes finos, compsitos de partculas alinhadas e matriz polimrica, etc.29

Formas:

Terfenol-DVantagens:

Elevada magnetostrico; Elevado coeficiente de acoplamento magnetoelstico (k); Considervel fora. Elevado custo; Fragilidade (composto intermetlico); Elevado campo para a saturao; Elevada dependncia da T.30

Desvantagens:

Vidros Metlicos

Introduzidos em 1978 e conhecidos como Metglas (Metallic glass). Compostos base Fe, Ni ou Co com Si, C, B ou P. Atualmente o material mais importante o Metglas 2605SC (Fe81B13,5Si3,5C2) da Allied Signal Inc.. Produzidos por solidificao rpida pela tcnica melt-spinning fitas.31

Vidros MetlicosVantagens:

Isotropia (amorfo); Baixo campo para a saturao; Elevado coeficiente de acoplamento magnetoelstico (k). Fragilidade; Baixa magnetostrico (30 ppm); Somente na forma de fita.32

Desvantagens:

FerritasFerritas so materiais que tambm podem desenvolver grandes deformaes. Ferrita de Ni (NiFe2O4) tem = -33 ppm Ferritas de Co atingem mais de 100 ppm em policristais e at 515 ppm em monocristais.

33

FerritasVantagens:

Elevada magnetostrico; Elevada resistividade (minimiza perdas por correntes parasitas). Fragilidade; Defeitos estruturais; Elevado campo de saturao.34

Desvantagens:

Ligas Base de Ferro: Fe-Ga e Fe-Al

1960: Hall mostrou que a adio de no-magnticos ao Fe alterava a anisotropia e a magnetostrico. 2000: seguindo estudo de Hall, Clark et al. descobriram elevada magnetostrico em Fe-Ga.

Hall, JAP (1960), 31.

Clark et al., IEEE-TM (2001), 37.

35

Ligas Base de Ferro: Fe-Ga e Fe-Al

Summers et al., JMS (2007), 42.

F F e - G e - A a l

F

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Alta magnetostrico!

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Material Fe80Ga20 Fe72Ga28 Fe80Al20 Fe

Monocristal 100 = 350 ppm 100 = 440 ppm 100 = 155 ppm 100 = 20 ppm

Policristal Total = 40 a 185 ppm Total = 50 a 270 ppm Total = 57 a 100 ppm Total = -5 a -14 ppm

T

c

P

e r c e n

t u

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a t 36

m

Ikeda et al., JAC (2002), 347.

Ligas Base de Ferro: Fe-Ga e Fe-Al

Comparao da liga Fe-Ga (Galfenol) com materiais piezoeltricos tradicionais:

Propriedade Deformao (ppm) Mdulo de Elasticidade (GPa) Fragilidade

PZT 1600 70 Moderada

PMN 2000 20 Alta

Terfenol-D 1000 35-50 Alta

Galfenol 300 20-25 Baixa

John et al., JIMSS (2007), 18.

37

Ligas Base de Ferro: Fe-Ga e Fe-Al

Ensaio de trao de Fe-Ga policristalino laminado frio (texturizado):

e = 600 Mpa em 0,4% r = 840 Mpa E = 154 Gpa % elongao = 1,5% = 0,25

Kellogg, PhD Thesis, Iowa State University (2003), p. 107.

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Ligas Base de Ferro: Fe-Ga e Fe-AlVantagens:

Magnetostrico moderada; Baixo custo dos precursores; Boas propriedades mecnicas (conformvel); Boa resistncia corroso; Baixa dependncia da temperatura; Elevada TC (675C); Baixa histerese; Elevado coeficiente de acoplamento magnetoelstico (at 76%).39

Ligas Base de Ferro: Fe-Ga e Fe-AlDesvantagens:

Baixa resistividade eltrica (gera perdas por corrente parasita); Forte dependncia do processamento mecnico ou trmico.

40

Pesquisa dos Materiais Magnetostrictivos

Linhas de pesquisa em magnetostrico e pesquisadores envolvidos. 41

Aplicaes: Atuadores Magnetostrictivos

Atuadores colocam coisas em movimento. So dispositivos que transformam energia magntica em energia mecnica. Utilizam a magnetostrico de Joule (efeito direto). O Terfenol-D o principal material utilizado.

42

Aplicaes: Atuadores Magnetostrictivos

Sonares; Fontes e amortecedores de vibrao; Eletro-vlvulas; Microbombas; Limpeza ultra-snica; Motores lineares e rotativos; Alto-falantes; Etc.43

Aplicaes: Atuadores Magnetostrictivos

Barras magnetostrictivas (sob tenso compressiva) polarizadas por campo esttico, que se alongam sob excitao de um campo varivel.

Transdutor magnetostrictivo tpico.

Sonar magnetostrictivo.

Dapino, Enc. Smart Materials (2002), p. 600-620. Eda et al., Enc. Smart Materials (2002), p. 503-519.

44

Aplicaes: Atuadores Magnetostrictivos

Funo da polarizao por magneto permanente:

Eda et al., Enc. Smart Materials (2002), p. 503-519.

45

Aplicaes: Atuadores Magnetostrictivos

Micro bomba magnetostrictiva:

Micro-bomba.

Eda et al., Enc. Smart Materials (2002), p. 503-519.

46

Aplicaes: Atuadores Magnetostrictivos

Motor linear magnetostrictivo:

Asa inteligente: muda dinamicamente a forma, conforme a velocidade do voo, para reduzir consumo de combustvel.Dapino, Enc. Smart Materials (2002), p. 600-620. Eda et al., Enc. Smart Materials (2002), p. 503-519.

47

Aplicaes: Atuadores Magnetostrictivos

Mini-motor esfrico de Fe-Ga (Galfenol):

Ueno et al., Sensors and Actuators A (2009), 154.

48

Aplicaes: Sensores Magnetostrictivos

So dispositivos que transformam energia mecnica em energia magntica. Utilizam o Efeito Villari (efeito inverso). Bobinas de captura medem a variao de fluxo magntico gerada pelas mudanas na tenso mecnica aplicada ao material. Melhores materiais no so com gigante mas os que convertem a energia com elevada eficincia. O Metglas um material bastante usado.49

Aplicaes: Sensores Magnetostrictivos

Sensores de fora, presso ou torque; Sensores de deformao; Sensores de posio e nvel; Magnetmetros; Geradores de potncia; Etc.

50

Aplicaes: Sensor de Posio Linear

Feito com material magnetostrictivo como guia de onda (sensor). Im mvel ao longo do guia de onda e conectado ao objeto que se deseja medir posio; Emissor/receptor envia ou recebe pulso de corrente atravs do guia. Registrado pela MTS sob o nome Temposonics e pela Equipiel sob o nome Capatosonic.51

Aplicaes: Sensor de Posio Linear

Nyce, Linear Position Sensor (2004), p. 136-150.

52

Aplicaes: Sensor de Posio LinearPrincpio de operao:

Emissor envia pulso de corrente pelo guia de onda produz um campo circunferencial. Campo circunferencial interage com o campo axial do im campo helicoidal. Toro local no guia de onda (Efeito Wiedemann). Pulso de toro se propaga de volta ao receptor. Tempos dos pulsos original e refletido fornecem uma medida da localizao do im no guia.53

Aplicaes: Sensor de Posio LinearAplicaes:

Nvel de lquidos im acoplado uma bia; Posio de elementos de mquinas; Indstria automotiva; Agricultura; Construo e minerao; Automao industrial; Indstria farmacutica e alimentcia; Equipamentos mdicos, etc.54

Aplicaes: Sensor de Posio Linear

55

Aplicao: Sensor de Posio Linear

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Aplicaes: Aproveitadores de Energia

Energia mecnica da vibrao transformada em energia eltrica dispositivos de baixa potncia. Sensores e dispositivos sem-fio e sem baterias. Busca tambm motivada pelas questes climticas e ambientais. Aplicaes existentes cermicas piezoeltricas. Poucos produtos comerciais devido baixa resistncia ao ambiente fragilidade. As ligas magnetostrictivas Fe-Ga so promissoras por serem robustas.57

Aplicaes: Aproveitadores de Energia

Ueno; Yamada, IEEE-TM (2011), 47.

Vibrao tenso compressiva em uma barra e tenso trativa na outra. Compresso causa reduo e trao causa aumento de fluxo magntico (efeito Villari). variao dos fluxos pela flexo peridica gera voltagem nas bobinas (lei de Faraday da induo).58

Aplicaes: Aproveitadores de Energia

Ueno; Yamada, IEEE-TM (2011), 47.

Yoo; Flatau, IMSS (2012).

59

Comentrios Finais

Materiais magnetostrictivos so uma classe de materiais inteligentes que podem converter energia magntica em elstica e vice-versa. Magnetostrico: origem no acoplamento entre a orientao do momento magntico com espaamento interatmico. O mecanismo bidirecional atrativo para aplicao em atuadores, sensores e aproveitadores de energia. Dispositivos patenteados evidenciam a importncia ou potencial dos materiais magnetostrictivos.60

Obrigado pela ateno!Contato: [email protected]

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