Terfenol-D

El terfenol-D , una aleación de fórmula Tb _x Dy _{1− x} Fe ₂ ( x  ≈ 0,3), es un material magnetoestrictivo . Fue desarrollado inicialmente en la década de 1970 por el Laboratorio de Artillería Naval de los Estados Unidos. La tecnología para fabricar el material de manera eficiente se desarrolló en la década de 1980 en el Laboratorio Ames en el marco de un programa financiado por la Marina de los EE. UU. ^[1] Su nombre proviene del terbio , hierro (Fe), Laboratorio de Artillería Naval (NOL), y la D proviene de disprosio .

La aleación tiene la magnetostricción más alta de todas las aleaciones , hasta 0,002 m/m en saturación; se expande y se contrae en un campo magnético. El terfenol-D tiene una gran fuerza de magnetostricción, alta densidad de energía , baja velocidad del sonido y un bajo módulo de Young . En su forma más pura, también tiene baja ductilidad y baja resistencia a la fractura. El terfenol-D es una aleación gris que tiene diferentes proporciones posibles de sus componentes elementales que siempre siguen una fórmula de Tb _x Dy _{1− x} Fe ₂ . La adición de disprosio facilitó la inducción de respuestas magnetoestrictivas al hacer que la aleación requiera un nivel menor de campos magnéticos. Cuando se aumenta la proporción de Tb y Dy, las propiedades magnetoestrictivas de la aleación resultante funcionarán a temperaturas tan bajas como −200 °C, y cuando se disminuye, pueden funcionar a un máximo de 200 °C. La composición del Terfenol-D le permite tener una gran magnetostricción y flujo magnético cuando se le aplica un campo magnético . Este caso existe para una amplia gama de tensiones de compresión , con una tendencia a la disminución de la magnetostricción a medida que aumenta la tensión de compresión. También existe una relación entre el flujo magnético y la compresión en la que cuando aumenta la tensión de compresión, el flujo magnético cambia de forma menos drástica. ^[2] El Terfenol-D se utiliza principalmente por sus propiedades magnetoestrictivas, en las que cambia de forma cuando se expone a campos magnéticos en un proceso llamado magnetización . Se ha demostrado que el tratamiento térmico magnético mejora las propiedades magnetoestrictivas del Terfenol-D a baja tensión de compresión para ciertas proporciones de Tb y Dy. ^[3]

Debido a sus propiedades materiales, el Terfenol-D es excelente para su uso en la fabricación de acústica submarina de alta potencia y baja frecuencia. Su aplicación inicial fue en sistemas de sonar navales . Se aplica en sensores magnetomecánicos, actuadores y transductores acústicos y ultrasónicos debido a su alta densidad de energía y grandes capacidades de ancho de banda, por ejemplo, en el dispositivo SoundBug (su primera aplicación comercial por FeONIC ). Su deformación también es mayor que la de otro material normalmente utilizado ( PZT8 ), lo que permite que los transductores Terfenol-D alcancen mayores profundidades para las exploraciones oceánicas que los transductores anteriores. ^[4] Su bajo módulo de Young trae algunas complicaciones debido a la compresión a grandes profundidades, que se superan en diseños de transductores que pueden alcanzar 1000 pies de profundidad y solo perder una pequeña cantidad de precisión de alrededor de 1 dB. ^[5] Debido a su alto rango de temperatura, el Terfenol-D también es útil en transductores acústicos de pozos profundos donde el entorno puede alcanzar altas presiones y temperaturas como los pozos de petróleo. El terfenol-D también se puede utilizar para accionadores de válvulas hidráulicas debido a sus propiedades de alta tensión y alta fuerza. ^[5] De manera similar, también se han considerado actuadores magnetoestrictivos para su uso en inyectores de combustible para motores diésel debido a las altas tensiones que se pueden producir. ^[6]

El aumento del uso de Terfenol-D en transductores requirió nuevas técnicas de producción que aumentaron las tasas de producción y la calidad, ya que los métodos originales eran poco confiables y de pequeña escala. Existen cuatro métodos que se utilizan para producir Terfenol-D, que son la fusión por zonas de soporte libre, el método Bridgman modificado, el compacto de polvo sinterizado y los compuestos de matriz polimérica.

Los dos primeros métodos, la fusión por zona libre (FSZM) y el método Bridgman modificado (MB), son capaces de producir Terfenol-D que tiene altas propiedades magnetoestrictivas y densidades de energía. Sin embargo, el método FSZM no puede producir una varilla de más de 8 mm de diámetro debido a la tensión superficial del Terfenol-D y a que el proceso FSZM no tiene un contenedor que restrinja el material. El proceso MB ofrece un tamaño mínimo de diámetro de 10 mm y solo está restringido debido a que la pared interfiere con el crecimiento del cristal . ^[7] Ambos métodos crean cristales sólidos que requieren una fabricación posterior si se necesita una geometría distinta a la de un cilindro en ángulo recto. Los cristales sólidos producidos tienen una estructura laminar fina . ^[8]

Las otras dos técnicas, los compuestos de matriz polimérica y los compactos de polvo sinterizado , se basan en polvo. Estas técnicas permiten una geometría y un detalle intrincados. Sin embargo, el tamaño está limitado a 10 mm de diámetro y 100 mm de longitud debido a los moldes utilizados. ^[7] Las microestructuras resultantes de estos métodos basados ​​en polvo difieren de las de cristal sólido porque no tienen una estructura laminar y tienen una densidad menor . Sin embargo, todos los métodos tienen propiedades magnetoestrictivas similares. ^[8]

Debido a la restricción de tamaño, el MB es el mejor proceso para producir Terfenol-D, sin embargo, es un método que requiere mucha mano de obra. Un proceso más nuevo como el MB es el crecimiento de cristales ET-Ryma (ECG) que da como resultado cristales de Terfenol-D de mayor diámetro y un mayor rendimiento magnetoestrictivo. La confiabilidad de las propiedades magnetoestrictivas del Terfenol-D durante la vida útil del material aumenta mediante el uso de ET-Ryma. ^[7]

El terfenol-D tiene algunos inconvenientes menores que se derivan de sus propiedades materiales. El terfenol-D tiene baja ductilidad y baja resistencia a la fractura. Para resolver esto, se ha añadido terfenol-D a polímeros y otros metales para crear compuestos. Cuando se añade a los polímeros, la rigidez del compuesto resultante es baja. Cuando se crean compuestos de terfenol-D con aglutinantes metálicos dúctiles, el material resultante tiene mayor rigidez y ductilidad con propiedades magnetoestrictivas reducidas. Estos compuestos metálicos pueden formarse mediante compactación por explosión . En un estudio realizado sobre el procesamiento de aleaciones de terfenol-D, las aleaciones resultantes creadas utilizando cobre y terfenol-D tenían valores de resistencia y dureza aumentados, lo que respalda la teoría de que los compuestos de aglutinantes metálicos dúctiles y terfenol-D dan como resultado un material más fuerte y más dúctil. ^[9]

• Galfenol

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