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 bajo un programa financiado por la Marina de los EE. UU. [1] Lleva el nombre de terbio , hierro (Fe), Laboratorio de Artillería Naval (NOL), y la D proviene de disprosio .
La aleación tiene la magnetoestricción más alta de cualquier aleación , hasta 0,002 m/m en saturación; se expande y contrae en un campo magnético. Terfenol-D tiene una gran fuerza de magnetoestricción, alta densidad de energía , baja velocidad del sonido y un módulo de Young bajo . En su forma más pura, también tiene baja ductilidad y baja resistencia a la fractura. 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 requiriera un menor nivel de campos magnéticos. Cuando se aumenta la relación de Tb y Dy, las propiedades magnetoestrictivas de la aleación resultante funcionarán a temperaturas tan bajas como -200 °C y, cuando se reducen, pueden funcionar a un máximo de 200 °C. La composición del Terfenol-D le permite tener una gran magnetoestricción 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 disminuir la magnetoestricción 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 menos drásticamente. [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 con tensión de compresión baja para ciertas proporciones de Tb y Dy. [3]
Debido a las propiedades de su material, 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 naval . Tiene aplicación en sensores magnetomecánicos, actuadores y transductores acústicos y ultrasónicos debido a su alta densidad de energía y su gran ancho de banda, por ejemplo, en el dispositivo SoundBug (su primera aplicación comercial de FeONIC ). Su tensión también es mayor que la de otro material utilizado normalmente ( PZT8 ), lo que permite a los transductores Terfenol-D alcanzar mayores profundidades para 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 pierden una pequeña cantidad de precisión de alrededor de 1 dB. [5] Debido a su alto rango de temperatura, Terfenol-D también es útil en transductores acústicos de orificios profundos donde el ambiente puede alcanzar altas presiones y temperaturas, como los orificios de aceite. Terfenol-D también se puede utilizar para accionadores de válvulas hidráulicas debido a sus propiedades de alta tensión y fuerza. [5] De manera similar, también se ha considerado el uso de actuadores magnetoestrictivos en inyectores de combustible para motores diesel debido a las altas tensiones que pueden producirse. [6]
El aumento en el uso de Terfenol-D en transductores requirió nuevas técnicas de producción que aumentaron las tasas de producción y la calidad porque los métodos originales eran poco confiables y de pequeña escala. Hay cuatro métodos que se utilizan para producir Terfenol-D, que son fusión en zona independiente, Bridgman modificado, polvo compacto sinterizado y compuestos de matriz polimérica.
Los dos primeros métodos, fusión por zona libre (FSZM) y Bridgman modificado (MB), son capaces de producir Terfenol-D que tiene altas propiedades magnetoestrictivas y densidades de energía. Sin embargo, 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 recipiente para restringir el material. El proceso MB ofrece un tamaño mínimo de 10 mm de diámetro y sólo está restringido debido a que la pared interfiere con el crecimiento del cristal . [7] Ambos métodos crean cristales sólidos que requieren 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, el compacto de polvo sinterizado y los compuestos de matriz polimérica , se basan en polvo. Estas técnicas permiten una geometría y detalles complejos. 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 más baja . Sin embargo, todos los métodos tienen propiedades magnetoestrictivas similares. [8]
Debido a la restricción de tamaño, 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 MB es el crecimiento de cristales (ECG) de ET-Ryma que da como resultado cristales de Terfenol-D de mayor diámetro y un mayor rendimiento magnetoestrictivo. La fiabilidad de las propiedades magnetoestrictivas del Terfenol-D durante toda la vida útil del material aumenta mediante el uso de ET-Ryma. [7]
Terfenol-D tiene algunos inconvenientes menores que se derivan de las propiedades de su material. Terfenol-D tiene baja ductilidad y baja resistencia a la fractura. Para solucionar 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 con cobre y Terfenol-D tenían mayores valores de resistencia y dureza, 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. material. [9]