Jerzy Kaleta. Materiały magnetyczne Smart. Budowa, wytwarzanie, badanie właściwości, zastosowanie Fragment

Transkrypt

1

2

3 Jerzy Kaleta Materiały magnetyczne Smart. Budowa, wytwarzanie, badanie właściwości, zastosowanie Fragment 2013

4

5 Książkę dedykuję mojej żonie Lenie

6

7 Spis treści Spis treści książki Table of contents Rozdział 1. Wprowadzenie Rozdział 2. Kompozyty z udziałem cieczy magnetoreologicznych Bibliografia Rozdział 3. Terfenol-D jako materiał o gigantycznej magnetostrykcji.. 29 Rozdział 4. Kompozyty z udziałem Terfenolu-D Rozdział 5. Efekt magnetokaloryczny Rozdział 6. Elastomery magnetoreologiczne Rozdział 7. Magnetowizja Rozdział 8. Energy Harvesting Bibliografia Streszczenie w języku angielskim Summary of the Chapter 2: Composites based on magnetorheological fluids Summary of the Chapter 3: Terfenol-D as a material with giant magnetostriction Summary of the Chapter 4: Composites based on Terfenol-D Summary of the Chapter 5: Magnetocaloric effect Summary of the Chapter 6: Magnetorheological elastomers Summary of the Chapter 7: Magnetovision Summary of the Chapter 8: Energy Harvesting

8

9 Spis treści książki Rozdział 1. Wprowadzenie Rozdział 2. Kompozyty z udziałem cieczy magnetoreologicznych Kompozyty magnetoreologiczne na bazie MRF Wprowadzenie Cele badań własnych Ciecz magnetoreologiczna na potrzeby kompozytów MRC Wprowadzenie Pożądane właściwości MRF, wpływ dodatków i innych czynników Dobór składu cieczy magnetoreologicznej Zjawisko sedymentacji i aglomeracji w cieczy magnetoreologicznej Badanie sedymentacji MRF Kompozyt magnetoreologiczny (MRC) Matryca porowata Wytwarzanie próbek Badania właściwości magnetomechanicznych MRC z matrycami porowatymi Cel badań Stanowisko badawcze Opis eksperymentu Wpływ zawartości cieczy na kształt pętli histerezy Wpływ charakteru sygnału wymuszającego Wpływ pola magnetycznego oraz zawartości MRF Określenie wpływu częstotliwości odkształcania MRC Wpływ wielkości odkształcenia postaciowego (γ) Badania kompozytów magnetoreologicznych w warunkach obciążeń udarowych Wyniki badania kompozytów

10 8 Spis treści książki 2.6. Podsumowanie Wnioski i uwagi końcowe Sugestie dalszych prac Bibliografia Rozdział 3. Terfenol-D jako materiał o gigantycznej magnetostrykcji Wprowadzenie Właściwości stopów (Dy-Tb)-Fe 2. Analiza literatury przedmiotu Zjawisko magnetostrykcji w Terfenolu-D Badania własne Badanie magnetostrykcji w warunkach wymuszenia statycznego Badanie magnetostrykcji w warunkach wymuszenia cyklicznego Tłumienie w Terfenolu-D z uwzględnieniem wpływu prądów wirowych Przykłady zastosowań Terfenolu-D w konstrukcjach mechanicznych Magnetostrykcyjny generator drgań akustycznych (głośnik magnetostrykcyjny) Aktywny tłumik drgań Zasadność i kierunki dalszych badań Bibliografia Rozdział 4. Kompozyty z udziałem Terfenolu-D Wprowadzenie. Kompozyty z użyciem Terfenolu-D Przegląd literatury przedmiotu i cele badań własnych Metodologia wytwarzania kompozytów z zastosowaniem proszków z Terfenolu-D Wstępne opracowanie procedury wytwarzania kompozytów Kompozyty do badań właściwości magnetomechanicznych Właściwości magnetomechaniczne Moduł sprężystości wzdłużnej Stanowisko badawcze Pomiar magnetostrykcji Magnetostrykcja objętościowa Opracowanie technologii wytwarzania próbek kompozytowych o różnej polaryzacji Teoretyczne podstawy wprowadzenia anizotropii do materiału oraz zwiększenia zawartości objętościowej proszku z materiału GMM

11 Procedura wytwarzania próbek kompozytowych o różnej polaryzacji i zwiększonej zawartości objętościowej proszku Badania polaryzowanych próbek kompozytowych o zwiększonej zawartości objętościowej proszku Terfenolu-D Kompozyty magnetostrykcyjne zawierające inne dodatki, poza proszkiem Terfenolu-D Badania próbek kompozytowych zawierających Terfenol-D i żelazo karbonylkowe Podsumowanie w zakresie wytwarzania kompozytów z udziałem proszków GMM Odwrotna magnetostrykcja (efekt Villariego) Aplikacja kompozytowych materiałów magnetostrykcyjnych na przykładzie aktuatora Model parametryczny aktuatora Model numeryczny (MES) rozkładu pola magnetycznego aktuatora Prototyp aktuatora Stanowisko pomiarowe Charakterystyka układu magnetycznego Testowanie aktuatora GMM Zasadność i kierunki dalszych badań Bibliografia Rozdział 5. Efekt magnetokaloryczny Wprowadzenie Budowa chłodziarek magnetycznych Badania własne Cel i założenia Badania materiałowe Budowa łoża magnetycznego Źródło pola magnetycznego Układ wymiany ciepła Dodatkowy system chłodzący Konstrukcja demonstratora Zasadność i kierunki dalszych badań Bibliografia Rozdział 6. Elastomery magnetoreologiczne Wprowadzenie. Kompozyty magnetoreologiczne z matrycami litymi Przegląd literatury przedmiotu i cele badań własnych

12 10 Spis treści książki 6.3. Matryca elastomeru magnetoreologicznego. Dobór składników Cząstki aktywne magnetycznie, dobór Wytwarzanie elastomerów MRE Cel i metodyka badań Badania kompozytów w warunkach cyklicznego ścinania Badania właściwości magnetomechanicznych elastomerów magnetoreologicznych Zasadność i kierunki dalszych badań Bibliografia Rozdział 7. Magnetowizja Wprowadzenie Efekt Villariego i jego zastosowania w mechanice eksperymentalnej Metody magnetyczne w nieniszczących badaniach materiałów Efekt Villariego jako zjawisko o charakterze magnetomechanicznym Efekt Villariego w procesie zmęczenia ferromagnetyków Prototyp systemu magnetowizyjnego do badań materiału w płaskim stanie naprężenia Opis aparatury pomiarowej Techniczne możliwości identyfikacji modelu magnetostrykcji Założenia w zakresie budowy własnych przyrządów i głowic do pomiaru pola magnetycznego Idea bezkontaktowego pomiaru pola magnetycznego czujnikiem pasywnym Pomiary w zakresie słabych pól magnetycznych Pomiary z zastosowaniem magnetorezystorów Rozwój przyrządów pomiarowych i głowic do pomiaru pola magnetycznego Systemy magnetowizyjne Struktura kamery magnetowizyjnej z użyciem systemu Hunt Enginnering Systemy skanerów pola magnetycznego o dużej rozdzielczości Wybrane przykłady wizualizacji pola magnetycznego przez system skanera pola magnetycznego Magscanner-Maglab Kierunki rozwoju systemu Magscanner-Maglab Zastosowanie systemu Magscanner-Maglab do identyfikacji efektu Villariego Doświadczalna weryfikacja uzyskanych modeli magnetomechanicznych

13 Zastosowanie systemu Magscanner-Maglab w badaniach jakościowych wyrobów przemysłowych Zastosowanie systemów skanujących do wizualizacji zewnętrznej struktury badanych obiektów Identyfikacja zjawisk o charakterze magnetomechanicznym w blachach Magnetyczny analog krzywej jednoosiowego rozciągania i krzywej umocnienia Badanie tekstury blach ferromagnetycznych metodą magnetyczną Magnetomechaniczne właściwości blach spawanych laserowo w procesie quasi-statycznego rozciągania Magnetyczna pamięć historii odkształcania materiału ferromagnetycznego Badanie przemiany fazowej indukowanej odkształceniem Badanie procesu wydzielania fazy martenzytycznej z rejestracją sygnału magnetycznego w próbkach masywnych Badanie procesu wydzielania fazy martenzytycznej z rejestracją sygnału magnetycznego w obiektach walcowych i kulistych Badania atermicznej przemiany martenzytycznej w foliach z austenitu Znaczenie magnetowizji w monitorowaniu procesów technologicznych Zastosowanie kamery magnetowizyjnej w badaniach procesu tłoczenia blach Magnetowizyjna diagnostyka w zakresie silnych pól magnetycznych Określenie stopnia demagnetyzacji termicznej przemysłowych magnesów trwałych Magnetowizyjna diagnostyka degradacji materiałów na skutek gwałtownego cyklicznego przemagnesowania Kierunki proponowanych dalszych badań własnych Bibliografia Rozdział 8. Energy Harvesting Wprowadzenie Wybrane obszary zastosowań EH Samochody Budowle, infrastruktura techniczna Człowiek jako źródło energii Energy Harvesting, rola materiałów Smart

14 12 Spis treści książki 8.4. Energy Harvesting a bezprzewodowy transfer energii i informacji Energy Harvesting, badania własne Wprowadzenie. Rozwój wybranych technologii harvestingowych Harvester jako generator prądu elektrycznego Rodzaje obwodów elektrycznych ze względu na źródła energii Harvestery z przetwarzaniem magnetycznym Harvestery z wykorzystaniem efektu Faradaya Harvester z rdzeniem magnetostrykcyjnym Harvestery wykorzystujące udar mechaniczny i dedykowane im przetwornice elektroniczne małych mocy Bezprzewodowa transmisja energii i informacji z użyciem ultradźwięków. Badania własne Autonomiczny system diagnostyki parametrów środowiskowych i eksploatacyjnych Multi-DOF Bezprzewodowe węzły harvestingowe w ramach systemu Multi-DOF Energy Harvesting. Przykłady aplikacji innych materiałów Smart w badaniach własnych Energy Harvesting. Kierunki dalszych badań własnych Bibliografia Streszczenie w języku angielskim

15 Table of contents Chapter 1. Introduction Chapter 2. Composites based on the magnetorheological fluids Composites based on MRF Introduction Goal of the (own) research Magnetorheological fluids for use in MRC composites Introduction Desired characteristics of the MRF, influence of additives and other factors Selection of the composition of the magnetorheological fluid Sedimentation and agglomeration effects in the magnetorheological fluid Research on the sedimentation of the MRF Magnetorheological composites (MRC) Porous matrix Manufacture of the samples Research on the magnetomechanical properties of the MRC with porous matrices Goal of the research The test stand Description of the experiment Influence of the liquid content on the shape of the hysteresis loops Influence of the type of the excitation signal Influence of the magnetic field and of the content of the MRF Identification of the influence of the MRC strain frequency Influence of the value of the shear strain (γ) Research on the magnetorheological composites under shock loading Results of the testing of the composites

16 14 Table of contents 2.6. Summary Conclusions and final remarks Suggestions for further work Bibliography Chapter 3. Terfenol-D as a material with giant magnetostriction Introduction Properties of the (Dy-Tb)-Fe 2 alloys. Review of the literature on the subject Magnetostriction effect in Terfenol-D Own research Research on the magnetostriction effect under static loading Research on the magnetostriction effect under cyclic loading Damping in Terfenol-D including the influence of eddy currents Examples of the application of Terfenol-D in mechanical constructions Magnetostrictive acoustic vibration generator (magnetostrictive speaker) Active vibration damper Legitimacy of and directions for further research Bibliography Chapter 4. Composites based on Terfenol-D Introduction Literature review and goal of own research Methodology of manufacturing composites based on the Terfenol-D powder Preliminary development of the procedure for manufacturing of the composites Composites for testing of the magnetostrictive properties Magnetomechanical properties The elastic modulus The test stand Measurement of the magnetostriction Volumetric magnetostriction Development of the technology for manufacturing composite samples with various polarization Theoretical basis for introduction of the anisotropy into the material and for increase of the volumetric content of the GMM powder

17 Procedure for manufacturing composite samples with various polarization and increased volumetric content of the powder Testing of the polarized composite samples with increased volumetric content of the Terfenol-D powder Magnetostrictive composites containing other additives (except for the Terfenol-D powder) Testing of the composite samples containing the Terfenol-D and the carbonyl iron Summary of the manufacturing of the composites containing the GMM powders Inverse magnetostriction (the Villari effect) Application of the magnetostrictive composite materials based on the example of the actuator Parametric model of the actuator Numeric model (FEM) of the magnetic field distribution in the actuator Prototype of the actuator The test stand Characteristics of the magnetic system Testing of the GMM actuator Legitimacy of and directions for further research Bibliography Chapter 5. Magnetocaloric effect Introduction Construction of the magnetic refrigerators Own research Goal and assumptions Material research Construction of the magnetic bed Source of magnetic field Heat exchange system Additional cooling system Construction of the demonstrator Legitimacy of and directions for further research Bibliography Chapter 6. Magnetorheological elastomers Introduction. Magnetorheological composites with solid matrices Literature review and goal of own research

18 16 Table of contents 6.3. Magnetorheological elastomer matrix. Selection of components Magnetically active particles and their selection Manufacturing of the MRE Goal and experimental methodology Testing of the composites under cycling loading Research on the magnetomechanical properties of the magnetorheological elastomers Legitimacy of and directions for further research Bibliography Chapter 7. Magnetovision Introduction The Villari effect as characteristic phenomena Magnetic methods in nondestructive testing of materials The Villari effect as a magnetomechanical phenomenon The Villari effect in fatigue process of the ferromagnetic materials Prototype of the magnetovision system for testing of the material in flat stress state Description of the measuring equipment Technical possibilities for identification of the magnetostrictive model Assumptions for the construction of the own devices and heads for the measurement of the magnetic field Idea behind the contactless measurement of the magnetic field with use of the passive sensor Measurement in the range of the weak magnetic fields Measurement with the use of magnetoresistors Development of the measuring equipment and heads for the measurement of the magnetic field Magnetovision systems Structure of the magnetovision camera based on the Hunt Engineering system High resolution magnetic field scanner systems Chosen examples of the visualization of the magnetic field prepared using the magnetic field scanner system Magscanner-Maglab Development directions of the Magscanner-Maglab system Application of the Magscanner-Maglab system for identification of the Villari effect

19 Experimental verification of the obtained magnetomechanical models Application of the Magscanner-Maglab system for quality check of the mass production elements Application of the scanning systems for the visualization of the outer structure of the tested objects Identification of the magnetomechanical phenomena in metal sheets The magnetic analogue of the uniaxial tension curve and the strengthening curve Testing of the texture of ferromagnetic metal sheets with the use of the magnetic methods Magnetomechanical properties of the laser welded metal sheets during the quasi-static tensile test Magnetic memory of the ferromagnetic metal sheet s deformation history Research on the phase transformation induced by the deformation Research of the martensitic transformation with record of the magnetic signal in the massive samples Research of the martensitic transformation with record of the magnetic signal in the cylindrical and spherical objects Research of the athermic martensitic transformation in the austenitic foils The importance of magnetovision in monitoring of technological processes Application of the magnetovision camera in research on the sheet metal forming Magnetovision diagnostics in the range of strong magnetic fields Determination of the level of thermal demagnetization of the industrial permanent magnets Magnetovision diagnostics of the material degradation caused by the rapid cyclic remagnetization Legitimacy of and directions for further research Bibliography Chapter 8. Energy Harvesting Introduction Chosen areas of application of the EH Automobiles Constructions, technical infrastructure

20 18 Table of contents Human body as energy source Energy Harvesting, role of Smart materials Energy Harvesting, wireless power and information transfer Energy Harvesting, own research Introduction. Development of the chosen harvesting technologies Harvester as an electrical power generator Types of electrical circuits with based on the energy source Harvesters with magnetic processing Harvesters utilizing the Faraday effect Harvester with a magnetostrictive core Harvesters utilizing mechanical shocks and dedicated low power electronic converters Wireless power and information transfer with the use of ultrasounds. Own research Autonomous Multi-DOF system for diagnostic testing of environmental and exploitation parameters Wireless harvester nodes within the Multi-DOF system Energy Harvesting. Examples of application of other Smart materials in own research Energy Harvesting. Direction of the further research Bibliography English summary

21 Rozdział 1. Wprowadzenie Materiały z grupy Smart 1 (ang.: Smart Materials SM) tworzą liczną już grupę nowych tworzyw konstrukcyjnych. Fenomen materiałów Smart polega na tym, że główne cechy użytkowe, wyrażone za pomocą wielkości jednego pola fizycznego (np. pola mechanicznego), zależą od wielkości innego pola (np. magnetycznego, elektrycznego czy pola temperatur). Kluczowe znaczenie podczas opisu i wykorzystania tych materiałów mają zatem efekty krzyżowe. W zależności od rodzaju materiału Smart zasadnicze znaczenie mogą mieć wówczas zjawiska, odpowiednio: magnetomechaniczne, elektromechaniczne, magnetotermiczne itd. Dzięki swoim specyficznym cechom, materiały te umożliwiają konstruowanie układów o właściwościach adaptacyjnych (ang.: Smart Structures) dotychczas niemożliwych do uzyskania z użyciem materiałów konwencjonalnych. Znaczną podgrupę SM stanowią materiały, których główne cechy użytkowe można stymulować polem magnetycznym (ang.: Smart Magnetic Materials SMM). Wyróżnić tutaj należy między innymi materiały: magnetoreologiczne, materiały o gigantycznej magnetostrykcji i magnetorezystywności, magnetokaloryczne, z pamięcią kształtu aktywowane magnetycznie i inne. Oznacza to, iż różnorodne właściwości SMM w tym takie, jak np. lepkość, kształt, sztywność, temperatura, rezystancja, kolor mogą być stymulowane polem magnetycznym. Można już dziś założyć, iż poziom upowszechnienia materiałów Smart jest jedną z miar innowacyjności gospodarki krajów i regionów. Wytwarzanie materiałów Smart stymuluje również rozwój badań podstawowych z zakresu różnorodnych efektów krzyżowych (ang.: cross effects). Kluczowe znaczenie, zarówno cywilne jak i militarne, mają obecne już dziś i prognozowane zastosowania SMM. Wymienić tu można przykłady inteligentnego tłumienia drgań takich obiektów stacjonarnych, jak budynki, mosty, rurociągi, sieci energetyczne. Równie znaczącym 1 W ostatnich latach próbowano znaleźć polski odpowiednik terminu materiały Smart. Propozycje wprowadzenia takich odpowiedników, jak materiały sprytne, materiały cwane, materiały adaptacyjne nie uzyskały do tej pory akceptacji środowiska. Próba wprowadzenia terminu materiały inteligentne budzi z kolei wątpliwości, co do precyzji. Pomimo że najbliższe autorowi jest określenie materiały adaptacyjne, autor zdecydował się używać konsekwentnie terminu Smart.

22 20 Rozdział 1. Wprowadzenie obszarem wykorzystania SMM jest transport (samochody, pociągi, samoloty). Zwiększa się liczba aplikacji w medycynie, czego przykładem są inteligentne protezy, operacje chirurgiczne na odległość, nowe metody terapii nowotworów czy magnetyczne znaczniki (markery) leków. Bardzo obiecujące są materiały z grupy SMM do zabezpieczenia informacji przesyłanych przewodowo. Wśród przykładów wymienić też należy rozwój nowych metod badań nieniszczących takich, jak magnetowizja (ang.: magnetovision). W ostatnich kilku latach wielkie zainteresowanie wywołuje wykorzystanie SMM do odzysku energii, zazwyczaj elektrycznej (ang.: Energy Harvesting EH), ze źródeł występujących powszechnie w otoczeniu (czyli z tzw. energii tła), które mają charakter niepożądany i zazwyczaj tłumiony. EH z kolei może być wykorzystane jako źródło zasilania sensorów i ich układów w postaci systemów pomiarowych diagnozujących permanentnie konstrukcję (ang.: Structural Health Monitoring SHM). Wymienione atuty SMM są łącznie powodem intensywnych badań w wielu instytutach naukowych i centrach przemysłowych. Smart Magnetic Materials można podzielić według różnych kryteriów. Jedna z możliwych klasyfikacji wyróżnia następujące rodzaje SMM: Materiały o zmiennej strukturze wewnętrznej: ciecze magnetoreologiczne (ang.: MagnetoRheological Fluids MRF), ciecze ferroreologiczne (ang.: Ferrofluids FRF) materiały porowate nasycone cieczami magnetoreologicznymi (ang.: Magnetorheological Composite MRC), żele (smary)... wypełnione proszkami z materiałów ferromagnetycznych, ciecze ze sproszkowanymi materiałami magnetokalorycznymi. Materiały o ustalonej strukturze wewnętrznej: lite materiały magnetostrykcyjne, w tym o tzw. gigantycznej magnetostrykcji (ang.: Giant Magnetostrictive Materials GMM), elastomery wypełnione proszkami z materiałów ferromagnetycznych (np. żelazo karbonylkowe, GMM lub ich kombinacja), polimery na bazie żywic epoksydowych zawierające sproszkowane materiały ferromagnetyczne, lite i sproszkowane materiały magnetokaloryczne. W monografii omówiono wybrane SMM i ich aplikacje, a w tym: kompozyty o porowatej matrycy wypełnione cieczą magnetoreologiczną (ang.: Magnetorheological Composites MRC), materiały o gigantycznej magnetostrykcji (ang.: Giant Magnetostrictive Materials GMM), kompozyty zawierające sproszkowany materiał o gigantycznej magnetostrykcji (ang.: Giant Magnetostrictive Materials composites GMMc).