Terfenol-D

Terfenol-D , una aleación de fórmula Tb _x Dy _{1− x} Fe ₂ ( x  ≈ 0,3), es un material magnetostrictivo . Fue desarrollado inicialmente en la década de 1970 por el Laboratorio de Armamento Naval en 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 Armada de los Estados Unidos. ^{[ 1 ]} Su nombre proviene del terbio , el hierro (Fe), el Laboratorio de Armamento Naval (NOL), y la D proviene del disprosio .

La aleación posee la mayor magnetostricción de todas las aleaciones , hasta 0,002  m/m en saturación; se expande y 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 magnetostrictivas al hacer que la aleación requiera un nivel más bajo de campos magnéticos. Cuando se aumenta la proporción de Tb y Dy, las propiedades magnetostrictivas de la aleación resultante operarán a temperaturas tan bajas como −200 °C, y cuando se disminuye, puede operar 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 se presenta para un amplio rango de esfuerzos de compresión , con una tendencia a la disminución de la magnetostricción a medida que aumenta el esfuerzo de compresión. Se ha demostrado (datos no publicados) que la resistencia a la compresión es bastante alta bajo ciertas condiciones. ^{[ 2 ]} También existe una relación entre el flujo magnético y la compresión en la que, cuando aumenta el esfuerzo de compresión, el flujo magnético cambia de forma menos drástica. ^{[ 3 ]} El Terfenol-D se utiliza principalmente por sus propiedades magnetostrictivas, 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 magnetostrictivas del Terfenol-D a bajo esfuerzo de compresión para ciertas proporciones de Tb y Dy. ^{[ 4 ]}  

Debido a sus propiedades materiales, el Terfenol-D es excelente para su uso en la fabricación de acústica submarina de baja frecuencia y alta potencia. Su aplicación inicial fue en sistemas de sonar naval . Se utiliza en sensores magnetomecánicos, actuadores y transductores acústicos y ultrasónicos debido a su alta densidad de energía y gran 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 de uso común ( PZT8 ), lo que permite que los transductores de Terfenol-D alcancen mayores profundidades para exploraciones oceánicas que los transductores anteriores. ^{[ 5 ]} Su bajo módulo de Young presenta 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. ^{[ 6 ]} Debido a su amplio 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 petrolíferos. El Terfenol-D también puede utilizarse para actuadores de válvulas hidráulicas debido a sus propiedades de alta deformación y alta fuerza. ^{[ 6 ]} De manera similar, los actuadores magnetostrictivos también se han considerado para su uso en inyectores de combustible para motores diésel debido a las altas tensiones que pueden producir. ^{[ 7 ]} El Terfenol-D combina de forma única características clave que permiten una inyección avanzada de combustible diésel. En primer lugar, el origen mecánico cuántico de la magnetostricción significa que este efecto no se degrada, lo que le confiere robustez y durabilidad. En segundo lugar, aprovecha bien la compresión disponible de la presión del combustible diésel. Finalmente, su expansión mecánica tiende a ser proporcional al campo magnético aplicado, lo que permite un control continuo de la posición de la aguja del inyector. Una aguja de inyector accionada directamente por Terfenol-D puede tener una durabilidad de por vida en la culata del motor, al tiempo que permite un control sin precedentes sobre cada evento de inyección durante toda su duración. Estas propiedades pueden utilizarse para el tratamiento dentro del cilindro de la eficiencia, las emisiones y el ruido, al tiempo que permiten flexibilidad en el combustible. ^{[ 8 ]}  

El aumento en el uso de Terfenol-D en transductores requirió nuevas técnicas de producción que incrementaran la tasa de producción y la calidad, ya que los métodos originales eran poco fiables y de pequeña escala. Existen cuatro métodos para producir Terfenol-D: fusión por zona libre, Bridgman modificado, compactación de polvo sinterizado y compuestos de matriz polimérica.

Los dos primeros métodos, fusión de zona libre (FSZM) y Bridgman modificado (MB), son capaces de producir Terfenol-D con altas propiedades magnetostrictivas 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 utiliza un contenedor que restrinja el material. El proceso MB ofrece un  tamaño mínimo de 10 mm de diámetro y solo está limitado por la interferencia de la pared con el crecimiento del cristal . ^{[ 9 ]} Ambos métodos crean cristales sólidos que requieren un procesamiento posterior si se necesita una geometría distinta a la de un cilindro de ángulo recto. Los cristales sólidos producidos tienen una fina estructura lamelar . ^{[ 10 ]}

Las otras dos técnicas, los compactos de polvo sinterizado y los compuestos de matriz polimérica , se basan en polvo. Estas técnicas permiten geometrías y detalles complejos. Sin embargo, el tamaño se limita a 10 mm de diámetro y 100 mm de longitud debido a los moldes utilizados. ^{[ 9 ]} Las microestructuras resultantes de estos métodos basados ​​en polvo difieren de las de cristal sólido porque no tienen una estructura laminar y tienen una menor densidad . No obstante, todos los métodos presentan propiedades magnetostrictivas similares. ^{[ 10 ]}

Debido a la limitación de tamaño, el proceso MB es el mejor para producir Terfenol-D. Sin embargo, es un método que requiere mucha mano de obra. Un proceso más reciente, similar al MB, es el cultivador de cristales Etrema (ECG), que produce cristales de Terfenol-D de mayor diámetro y mejora su rendimiento magnetostrictivo. La fiabilidad de las propiedades magnetostrictivas del Terfenol-D a lo largo de la vida útil del material aumenta con el uso de ECG. ^{[ 9 ]}

El terfenol-D presenta algunas desventajas menores derivadas de sus propiedades materiales. 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. Al añadirlo a polímeros, la rigidez del compuesto resultante es baja. Cuando se crean compuestos de terfenol-D con aglutinantes metálicos dúctiles, el material resultante presenta mayor rigidez y ductilidad, con propiedades magnetostrictivas 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 mostraron 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 resistente y dúctil. ^{[ 11 ]}

• Galfenol

• http://tdvib.com/terfenol-d/
• https://www.qcwlc.us