مواد هوشمند: دگرسان های مغناطیسی

نویسنده: روزبه پارسه "دانشجوی کارشناسی مکانیک دانشگاه تهران"

"مقدمه"

دگرسانی مغناطیسی پدیده‌ای است که در آن یک مادۀ فرو‌مغناطیس در حضور میدان مغناطیسی تغییر شکل یا تغییر طول می‌دهد. این پدیده از منظر مهندسی بسیار جذاب است، چون می‌توان بدون تماس مکانیکی مستقیم و اغلب با کنش سریع با میدان مغناطیسی حرکت، نیرو یا حسگری تولید کرد. دِگرسان‌ها در کاربردهایی مثل محرک‌ها، مبدل‌های صوتی و سونار، حسگرهای نیرو و تغییر شکل، و حتی برداشت انرژی کاربرد دارند.

در مواد مغناطیسی، اتم‌ها دارای گشتاور مغناطیسی هستند؛ یعنی مثل آهن‌رباهای کوچکی درون بلور جهت دارند. وقتی میدان خارجی اعمال می‌شود، جهت‌گیری گشتاورهای مغناطیسی تغییر می‌کند و این تغییر جهت‌گیری باعث تغییر انرژی‌های کریستالی و گشودگی‌های بین اتمی می‌شود. به زبان ساده، وقتی یک دگرسان مغناطیسی در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، اتم‌هایش کمی جابه‌جا می‌شوند تا در راستای میدان قرار بگیرند. این جابه‌جایی باعث می‌شود طول نمونه تغییر کند، مثلاً کمی کشیده یا کوتاه شود، این یعنی دگرسانی مغناطیسی.

 "چند خانوادۀ مهم از مواد دگرسان مغناطیسی"

• آلیاژهای ترفنول: ترفنول-D ترکیبی از عناصر نادرزمینی و معمولاً آهن است. ترفنول در دهۀ 1970 در آزمایشگاه NOL آمریکا خلق شد. این ماده از خود دگرسانی مغناطیسی غول‌آسا نشان می‌دهد، یعنی کرنش‌های نسبی قابل‌توجهی (معمولاً در محدودۀ هزارها ppm) دارد. بنابراین برای محرک‌های با توان و پاسخ بزرگ، ترفنول-D انتخاب محبوبی است. با این حال این آلیاژ گران، شکننده و وابسته به عناصر نادر زمین است که محدودیت‌هایی در استفاده از آن ایجاد می‌کنند.

• آلیاژهای گالفنول: مهندسان که به دنبال جایگزینی برای ترفنول-D بودند، در دهۀ ۲۰۰۰ آلیاژ آهن-گالیم یا گالفنول را به جهان معرفی کردند. گالفنول یک گزینۀ بدون عناصر نادر زمین است که خصوصیات دگرسانی مغناطیسی قابل‌توجهی در دمای اتاق دارد و از نظر شکل‌پذیری و هزینه، بهتر از ترفنول است. مقالات گزارش کرده‌اند که مقادیر دگرسانی مغناطیسی آلیاژهای گالفنول می‌توانند صدها ppm باشند و برای کاربردهای صنعتی و نیز مقیاس‌های نانو مناسب‌اند.

• مواد دیگر مانند نیکل، آهن خالص و ساماریوم: مواد پایه مانند نیکل و آهن نیز دگرسانی نشان می‌دهند ولی معمولاً مقدارشان کمتر است (چند ده تا چند صد ppm بسته به آلیاژ و حالت). آلیاژهای مبتنی بر ساماریوم یا دیگر ترکیبات نیز در برخی کاربردها به‌خاطر خصوصیات دمایی یا پایداری مغناطیسی ویژه مطالعه شده‌اند.

"عمده کاربردهای دگرسان‌های مغناطیسی"

• محرک‌ها: با اعمال میدان مغناطیسی، دگرسان‌های مغناطیسی می‌توانند به سرعت کشیده یا فشرده شوند. این ویژگی برای ساخت محرک‌های دقیق و سریع فوق‌العاده است، مثلاً در تنظیم فوکوس لنزهای لیزری، کنترل ارتعاش موتورهای صنعتی یا حتی عملگرهای ضدلرزش در فضاپیماها.

• مبدل‌های آکوستیک و سونار: سونار سیستمی است که امواج صوتی را در آب منتشر می‌کند و با دریافت پژواک این امواج از اجسام، موقعیت، فاصله و ویژگی‌های آن‌ها را تشخیص می‌دهد. زیردریایی‌ها برای ارسال و دریافت امواج صوتی از دگرسان مغناطیسی به‌عنوان مبدل استفاده می‌کنند. به‌دلیل توان بالا و قابلیت تولید فشار آکوستیکی، ترفنول-D می‌تواند ارتعاشات مکانیکی قوی تولید کند، و به همین دلیل برای سونارهای با توان بالا ایده‌آل است.

• حسگرها: وقتی به دگرسان مغناطیسی فشار وارد کنیم، میدان مغناطیسی‌اش تغییر می‌کند (یعنی خاصیت آن دوسویه است). با اندازه‌گیری این تغییر می‌توان نیرو، فشار یا ارتعاش را اندازه‌گیری کرد. برای همین در صنایع خودروسازی و مکانیک دقیق، حسگرهای مبتنی بر گالفنول در حال گسترش‌اند.

• برداشت انرژی: در آینده ممکن است دستگاه‌هایی داشته باشیم که بدون باتری کار کنند و انرژی‌شان را از ارتعاشات محیط بگیرند. دگرسان‌های مغناطیسی یکی از گزینه‌های اصلی برای این کارند. در دستگاه‌های کوچک که نیاز به تبدیل ارتعاشات محیطی به برق دارند، دگرسان‌های مغناطیسی گزینه‌ای برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی مغناطیسی و سپس به انرژی الکتریکی در سیستم‌های ترکیبی هستند.

"محدودیت‌ها و مسائل عملی"

• هزینه و در دسترس بودن عناصر نادر زمین: ترفنول-D وابسته به تربیوم و دیسپروزیم است که گران و محدودند. این مسئله انگیزۀ پژوهش برای مواد بدون عناصر نادر مثل گالفنول را افزایش داده است.

• شکنندگی و خستگی مکانیکی: برخی آلیاژها عملکرد خوب دارند اما شکننده‌اند یا در چرخه‌های طولانی خستگی نشان می‌دهند. در این زمینه وجود کامپوزیت‌ها و بهبود فرایندها می‌تواند کمک کند.

• غیرخطی بودن و هیسترزیس: در سیستم‌هایی که هیسترزیس دارند، پاسخ خروجی به ورودی فقط به مقدار فعلی ورودی بستگی ندارد، بلکه به نحوه تغییر آن در گذشته نیز وابسته است. به‌عبارت دیگر، اگر ورودی را افزایش و سپس کاهش دهیم، خروجی دقیقاً به حالت اولیه بازنمی‌گردد؛ بلکه یک اثر پسماند باقی می‌ماند، شاید مثال بارز این مسئله در آهنرباها باشد.

وقتی میدان مغناطیسی را افزایش و سپس کاهش می‌دهیم، ماده مغناطیسی مانند آهن، خاصیت مغناطیسی خود را کاملاً از دست نمی‌دهد؛ این رفتار در منحنی هیسترزیس مغناطیسی دیده می‌شود. به همین دلیل کنترل دقیق استفاده از این مواد نیاز به مدل و استراتژی کنترلی مناسب دارد. این موضوع برای کاربردهای دقیق حیاتی است.

"جایگاه دگرسان های مغناطیسی"

تحقیقات فعلی بر چند جهت متمرکز است تا این نقص‌ها کاهش یابند، مثل یافتن یا طراحی آلیاژهای بدون عناصر نادر که دگرسانی مغناطیسی بالایی داشته باشند (مثل گالفنول) و تغییر آلیاژ با افزودنی‌های کم‌درصد. یا مثلاً توسعۀ کامپوزیت‌های هوشمند، ترکیب با پیزوالکتریک‌ها برای کنترل برقی-مغناطیسی بهتر و افزایش راندمان سیستم‌های تبدیل انرژی.