24-1-04 - jstage.jst.go.jp

6
(22) 22 AEM Vol. 24, No.1 (2016) Magnetostrictive Alloys Utilized for Vibration Energy Harvesting *1 1 2 Shigeru SUZUKI, Shun FUJIEDA, Tsuguo FUKUDA Magnetostrictive alloys are promising materials for realizing vibration energy harvesting technology, as they enable us to convert kinetic energy to electric energy. These materials are used as smart materials for actuators and sensors. Among these materials, iron based magnetostrictive alloys are attracted since they reveal the superior magnetic properties such as large magnetostriction and high permeability, as well as the good mechanical properties. The present paper describes the present status and prospect of these magnetostrictive alloys. In particular, the physical properties such as elasticity and magnetostriction of iron-gallium binary alloys are overviewed. Keywords: magnetostrictive alloys, vibrational power generation, magnetic domain [1](1)(2)(3) (4)[2][2]��2.1 ppm 10 -6 ppm 100ppm [3]1 ,� 2 , 3 1 ,� 2 ,� 3 �� ��� (1) ��100 111 [100][111]�� ��� (2) 980-8577 2-1-1e-mail: [email protected] *1 2

Upload: others

Post on 16-Oct-2021

9 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 24-1-04 - jstage.jst.go.jp

(22)22

日本 AEM 学会誌 Vol. 24, No.1 (2016)

���������������

Magnetostrictive Alloys Utilized for Vibration Energy Harvesting �

��� �*1� ��� � 1� ���� 2

�Shigeru SUZUKI, Shun FUJIEDA, Tsuguo FUKUDA

Magnetostrictive alloys are promising materials for realizing vibration energy harvesting technology, as they enable us to convert kinetic energy to electric energy. These materials are used as smart materials for actuators and sensors. Among these materials, iron based magnetostrictive alloys are attracted since they reveal the superior magnetic properties such as large magnetostriction and high permeability, as well as the good mechanical properties. The present paper describes the present status and prospect of these magnetostrictive alloys. In particular, the physical properties such as elasticity and magnetostriction of iron-gallium binary alloys are overviewed.

Keywords: magnetostrictive alloys, vibrational power generation, magnetic domain �

�����

�����������������������

������������������������

������������������������

������������������������

�������������������������

������������������������

�����������������������[1]�������������������������

������������������������

������������������������

����������(1)����������(2)��

������(3) ������������������

(4)���������������������[2]��������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

�������������������[2]������������������������

������������������������

���������������������

�����������������

2.1 �������

����������������������

������������������������

���������������ppm�10-6�����

����������� ppm ��� 100ppm ����

������������������������

������������������������

����������������������[3]������������������������1,�2,�3�������������1, �2, �3��������

�����

���� � �

������� ������� � ������ � ������ � �

��

���������������� � ���������

� � � � � �����������

� � � � � � � � � � (1)

�����������100��111������[100]�[111]����������������������

������������������������

��

��� � �

������� �

�������� (2)

������������������������

�����������������������

���� ��� ���980-8577 �������� 2-1-1���������������e-mail: [email protected] *1������2����������

�� � ������

Page 2: 24-1-04 - jstage.jst.go.jp

日本 AEM 学会誌 Vol. 24, No.1 (2016)

(23) 23

2.2 ��������

������������� Fe-Al �������

����� Alfer ��������[4]�������

������������������������

�������������������������

�������� Table 1 ����[3]�Tb-Dy-Fe ��

��Terfenol-D������������������

������������������������

�����������������������Fe-Co ������ Fe � Co ������������

�� Permendur �����V �����������

�������[5]����������� Fe-Si-B �

������������������������

���[3]��������������������

������� Fe-Ga ������[6-8]������

������������������������

���������������Fe-Ga ������

� Fe-Si ��������������������

�������������Fe-Si ���������

���������������� Fe-Ga �����

�����������������������

Table 1 Several properties of magnetostrictive alloys

Tb-Dy-Fe Fe-Co Fe-Ga Magnetostriction(ppm)

ca. 2000 ca. 70 ca. 200

Corrosion resistance

� � �

Rare-earth elements

� - -

Workability � � �

Heat resistance � � �

�����������������������

������������������������

��������������Fig.3 ��������

�����������[9]�PGM ��������

������������������������

������� Ga ���������������

������������������������

������������������������

����������������Ga ����� Zn� Al ���������������������

��[10]��������������������

������������������������

������������������������

������������������������

�������������������������

������������������������

������������������������

������������������

Fig. 1 Abundance of elements versus atomic number.

���������������������

�����������������������

�������Fe-Ga ������� A2 �, B2 ���

� D03 ������� Fig.2 �����������

������������������������

�������A2 ��������B2 ��D03���

�����������

Fig. 2 A2, B2, and D03 type crystal structures.

��������������Fig. 3 � Fe-Ga ��

������������������������

������������������������

������������������������

��[12]����� Fe-Ga ������������

Page 3: 24-1-04 - jstage.jst.go.jp

(24)24

日本 AEM 学会誌 Vol. 24, No.1 (2016)

������������������������

�����������[13]����Fig. 3 �����������Fe �����

������������������������

������������������������

������������������������

���������������[14]�

Fig. 3� Phase diagram of Fe-Ga system [11].

����������������Bridgmann � �

FZ �(Floating zone �)�CZ �(Czochralski �)��PD�Micro-pull down ������������Fig. 4(a)��

������������������������

�����������������������

100mm��� 100mm�� Fe-Ga �������� Fe� Ga �������Ar �������������

���100��������������������

������������������������

���������� Fe0.8 Ga0.2�������� 2���������������������� Ga �

��������������������������

�������� Ga ��������������

������������������������

����������Fig.4(b)�����������

���� 30mm��� 100mm ��������100�Fe0.8 Ga0.2��������������������

�������������������

Fig. 4 (a) a large single crystal ingot grown by CZ process and (b) a rod shaped from an ingot.

�� �������������������

4.1 ������������

����������������������

��(Joule effect)����������������

����������������������

�Villari effect������������������

������������������������

��������Fig.5 �������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

�����Fe ����������������

���������Fe-Ga ������������

��������<100>�������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

(a)

(b)

Page 4: 24-1-04 - jstage.jst.go.jp

日本 AEM 学会誌 Vol. 24, No.1 (2016)

(25) 25

������������������������

�����������

Fe-Ga ��������������������

���������������s��������

���������M-H���� Fig.6 ���[15]�������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

����������������

Fig.5 Schematic showing measurement of magnetostriction and a typical magnetostriction versus magnetic field.

Fig.6 Influence of external stress (�) on a magnetization curve (M-H curve ) of a ferromagnetic material.

4.2 ���������

�����������������������

������������������������

Fig.7 ����������������������

������������������������

������ Fe-Ga ���������������

�������������<100>���������

������������������������

��������������������

Fig. 7 Two different magnetic domain structures.

4.3 ��������������

�����������������������

������������������������

������������������������

�������������[16]����������

������������������������

������������������������

��������������Fig.8 � Fe-Si �����

������������������������

�������[17]����������������

�����������������������Fe-Si �����������������������

������������������������

�����������Fe-Si �����������

�������������������������

������������������������

������������������������

����������������

Fig. 8 Schematic illustration of magnetic domains of an Fe-Si alloy without stress (left) and under external stress (right).

Page 5: 24-1-04 - jstage.jst.go.jp

(26)26

日本 AEM 学会誌 Vol. 24, No.1 (2016)

4.3 ��������������

� Fe-Ga ����������<100>��������

��������������Table 2 �������

Ga ��� Fe-Ga ���������� Young ���

�����Ga ������������<100>���

������������������[18]����

���������������� Fig. 9 �����

�����������Fe-Ga ����������

������������������������

��[19]��������������������

������������������������

��������������Fe-Ga �������

������� Poisson �������������

����������������� Fe-Ga ����

������������������������

�����[20]������������������

������������������������

������������������������

����������������� Fe �����

������������������������

������������������������

������������������������

����

Table 3 Orientation dependence of Young’s modulus (GPa) of Fe-Ga binary alloys with different compositions.

wt%Ga E[100] E[110] E[111]

0 131 219 283 18 65 160 315 26 27 86 293

Fig. 9 Orientation dependence of Young’s modulus of Fe (left) and Fe-18%Ga alloy (right).

�����

�����Fe-Ga ���������������

������������������������

��������������� Co-Fe ������

������[21]�Fe-Ga �������������

������������������������

�����������[22-24]����������

������������������������

� Fe-Ga ��������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

�������[25,26]��������������

�������Fe-Ga ��������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

�������������

��

� �����������������������

������������������������

������������������������

�������������������������

����

[1]� T. J. Kamierski, S.B. Beeby ed., Energy Harvesting Systems, Springer, 2011.

[2] � L. Wang, F. G. Yuan, Vibration energy harvesting by magnetostrictive material, Smart mater. struct, Vol. 17, pp.045009-1 - 045009-14, 2008.

[3]� ����������������2002. [4]� �����������, Fe-Al �����������

������������������������Vol.12�No.7-12, pp.1-6, 1948.

[5]� R. S. Sundar{ and S. C. Deevi, Soft magnetic FeCo alloys: alloy development, processing, and properties. International Materials Reviews, Vol 50, pp. 157- 192. 2005.

Page 6: 24-1-04 - jstage.jst.go.jp

日本 AEM 学会誌 Vol. 24, No.1 (2016)

(27) 27

[6] A. E. Clark, J. B. Restorff, M. Wun-Fogle, T. A. Lograsso, D. L. Schlagel, Magnetostrictive Properties of Body-Centered Cubic Fe-Ga and Fe-Ga-Al Alloys, IEEE Trans. Magn. 3, Vol. 36, pp.3238-3240, 2000.

[7] A. E. Clark, M. Wun-Fogle, J. B. Restorff and T. A. Lograsso, Magnetostrictive Properties of Galfenol Alloys Under Compressive Stress, Materials Transactions, Vol.43, No.5, pp.881-886, 2002. ,

[8] A. E. Clark, J. B. Restorff, M. Wun-fogle, K. B. Hathaway, T. A. Lograsso, M. Huang, E. Summers, Magnetostriction of ternary Fe–Ga–X (X=C,V,Cr,Mn,Co,Rh) alloys, J. Appl. Phys. 101, 09C507, 2007.

[9]� U.S. Geological Survey, http://www.periodni.com/rare_earth _elements.html

[10]� JOGMEC �, ������������,� pp.160-164, 2014

[11]� H. Okamoto ed, Phase Diagrams for Binary Alloys, ASM, 2010. p.376.

[12] O Ikeda, R Kainuma, I Ohnuma, K Fukamichi, K Ishida, Phase equilibria and stability of ordered b.c.c. phases in the Fe-rich portion of the Fe–Ga system. Journal of Alloys and Compounds, Volume 347, Issues 1–2, 16 December 2002, Pages 198-205.

[13] Y. Du, M. Huang, S. Chang, D.L. Schlagel, T. A. Lograsso, R. J. McQueeney, Relation between Ga ordering and magnetostriction of Fe-Ga alloys studied by x-ray diffuse scattering, Phys. Rev. B 81, 054432-8, (2010).

[14] S. Fujieda, S. Suzuki, A. Minato, T. Fukuda, T. Ueno, Growth of Fe-Ga Alloy Single Crystals by the Czochralski Method and Their Application to Vibration Power Generator, IEEE Trans. Magn.,50(11),2505204 (2014).

[15] R. C. O'Handley, Modern magnetic materials: principles and applications John Wiley Sons, (2000).

[16]� K. Iwata, S. Arai, K. Ishiyama, Calculation of Basic Domain Width Considering Lancet Domains in (110)[001]Fe3%Si, IEEE Trans. Magn. Vol. 50, pp. 7008604-2 – 7008604-4, (2014) .

[17]� K. Iwata, M. Imafuku, T. Suzuki, T. Shobu, H. Orihara, Y. Sakai, K. Akita, S. Ohya, K. Ishiyama, Internal stress distribution for generating closure domains in laser-irradiated Fe–3%Si (110) steels, J. Appl. Phy. 117, pp.17A910 -1-4, 2015. .

[18]� R. A. Kellogg, A. M. Russell, T. A. Lograsso, A. B. Flatau, A. E. Clark, M. Wun-Fogle, Tensile properties of magnetostrictive iron–gallium alloys, Acta Mater. Vol. 52, pp.5043-5050, 2004.

[19]� S. Datta, J. Atulasimha, C. Mudivarthi, A. B. Flatau, Stress and magnetic field-dependent Young’s modulus in single crystal iron–gallium alloys, J. Magn. Magn. Mater. 322, pp.2135-2144, 2010.

[20] H. Wang, Z.D. Zhang, R.Q. Wu, L.Z. Sun, Large-scale first-principles determination of anisotropic mechanical properties of magnetostrictive Fe–Ga alloys, Acta Mater., Vol. 61, pp.2919–2925, 2013.

[21]� D. Hunter, W. Osborn, K. Wang, N. Kazantseva, J. Hattrick-Simpers, R. Suchoski, R. Takahashi, M. L. Young, A. Mehta, L. A. Bendersky, S.E. Lofland, M. Wuttig, I. Takeuchi, Giant magnetostriction in annealed Co1�xFex thin-films, Nature Comms.. pp. 1529-1-7, 2011.

[22] ������� ������������������

����,� �� AEM ���, Vol. 20, No.1, pp.168-173, 2012.

[23] ���������L ���������������

����������,� �� AEM ���, Vol. 21, No.2, pp.222-227, 2013.

[24] ������������������,� �� AEM �

��, Vol. 22, No.3, pp.368-373, 2014. [25] ���������������������Vol. 80,

No.2, pp.N59-N64, 1994. [26]� S.Suzuki, Y.Ushigami, H.Homma, S.Takebayashi, T.Kubota,

Influence of Metallurgical Factors on Secondary Recrystallization in Silicon Steel, Mater. Trans. , 42, pp.994-1006, 2001.