RUS ENG

НАМ 18 ЛЕТ!

ГРУППА AMT&C - ФИНАЛИСТ РЕЙТИНГА «ТЕХНОУСПЕХ»


 

 


Материал с большими деформациями, индуцируемыми магнитным полем.



15.03.2011

         Специалисты, работающие в области наук о материалах, постоянно ищут наиболее эффективные способы превращения одного вида энергии в другой. В статье, опубликованной 11 марта текущего года в  Physical Review Letters (Wei-Feng Rao, Manfred Wuttig, and Armen G. Khachaturyan. Giant Nonhysteretic Responses of Two-Phase Nanostructured Alloys. Phys. Rev. Lett., 2011, v. 106, 105703), теоретически показано, что материал, содержащий наноразмерные области с отличной от основного объёма атомной структурой, может реагировать на изменение магнитного поля изменением формы, при этом увеличение его размера может быть в 100 раз большим, чем в обычных материалах без наноразмерной структуры. Такие материалы, или аналогичные им, реагирующие подобным образом на поля другой природы, могут быть использованы в датчиках полей или в механических приводах.

Традиционные материалы, используемые в преобразователях энергии, такие как пьезоэлектрики, превращающие механические колебания в электрические сигналы, работают на атомном уровне. Сжатие и растяжение кристалла сдвигает положительные и отрицательно заряженные ионы в каждой кристаллической ячейке в разных направлениях, создавая электрическую поляризацию и приводя к появлению разности потенциалов на гранях кристалла. Этот эффект используется в звукоснимателях акустической гитары, а также в устройствах ультразвуковой визуализации. Эти вещества также обнаруживают обратный эффект – возникновение механических деформаций при приложении электрического напряжения.

Некоторые магнитные материалы также способны превращать энергию магнитного поля в механическую энергию и наоборот, но величина эффекта обычно мала. В последнее десятилетие исследовались материалы, в которых внутренние структурные превращения давали гораздо больший эффект. Наиболее известным примером являются материалы с атомной структурой, в которой кристаллические ячейки представляют собой параллелепипеды, а не кубы. Макроскопический кристалл обычно из множества областей – доменов – в каждой из которых имеется своё предпочтительное направление ориентации кристаллических ячеек. Магнитное поле сдвигает атомы из своего равновесного положения, что вызывает рост доменов, имеющих энергетически наиболее выгодную относительно приложенного поля ориентацию кристаллических ячеек и уменьшение размеров доменов с невыгодной ориентацией кристаллической структуры. Граница между доменами – доменная стенка - при этом начинает перемещаться, а рост доменов вызывает растяжение материала вдоль направления приложенного поля.

«У таких материалов есть два недостатка», -говорит Армен Хачатурян (Armen Khachaturyan) из Рутгертского университета (Rutgers University, Piscataway, New Jersey). Один из них заключается в том, что на доменную стенку действуют силы, препятствующие её движению, что приводит к уменьшению усилия, которое мог бы генерировать материал под воздействием поля. Другая проблема заключается в том, что доменные стенки при движении в объёме кристалла испытывают сопротивление, зависящее от предистории образца, что является отрицательным фактором для некоторых применений преобразователей на основе таких материалов.

Для решения этих проблем Хачатурян с коллегами предлагают использовать материал, состоящий из неискаженной матрицы и погружённых в неё наноразмерных частиц, способных под воздействием поля изменять форму. Такие нанокомпозиты могут формироваться, например, путём нагревания металлического сплава или керамики, при котором некоторые компоненты материала выпадают в виде кластеров с химическим составом, отличающимся от окружающего материала. Если выпавшие частицы достаточно малы, то они находятся в однодоменном состоянии и их кристаллографическая ось может быть переориентирована внешним магнитным полем, что вызовет растяжение материала.

Научной группой Хачатуряна были определены некоторые условия, при которых такой двухфазный нанокомпозит обнаруживает существенный отклик на внешнее поле, генерируя значительные усилия, не зависящие от предистории образца. Они предположили, что некоторые полученные ранее загадочные экспериментальные результаты являлись проявлением рассмотренного ими эффекта, а предложенная ими модель позволит вести поиск таких материалов на систематической основе.

«Мы постоянно ищем материалы с гигантской магнетострикцией», - отметил Дэвид Лолин (David Laughlin) из университета Карнеги Мэллон из Питтсбурга, Пенсильвания (Carnegie Mellon University in Pittsburgh, Pennsylvania). Он также отметил, что данная работа даёт теорию, применимую и для других видов полей, таких, как электрическое поле и поле механических напряжений.

http://focus.aps.org/story/v27/st9

http://www.lenta.ru/news/2011/03/07/material/

Возврат к списку новостей