Materiales con memoria de forma (II): magnéticos

Hola amigos,

siguiendo con el hilo de las aleaciones con memoria de forma, aqui os dejamos el segundo artículo sobre este comportamiento: Materiales con Memoria de Forma Magnética.

El fenómeno de la magnetoestricción, por medio del cual un campo magnético externo puede cambiar las dimensiones de la muestra, fue observado en 1842 por Joule. En los materiales ferromagnéticos usuales como el Fe y el Ni, las deformaciones asociadas con la magnetoestricción son del orden de 10^-4 % mientras que en materiales con una magnetoestricción excepcionalmente grande, por ejemplo las aleaciones de Tb-Dy-Fe (Terfenol-D), muestran deformaciones del orden del 0.1%. Por el contrario, los materiales con memoria de forma magnética pueden mostrar deformaciones inducidas a través de un campo magnético del orden del 10%.

No sólo es que las deformaciones en los materiales MSM sean dos órdenes de magnitud superiores, sino que también el mecanismo es diferente al de la magnetoestricción. Mientras que la magnetoestricción ordinaria es observada en muestras estructuralmente homogéneas, el efecto MSM requiere una estructura especial. La estructura viene proporcionada una trasformación martensítica.

Como hemos visto, la forma usual de crear esta clase de microestructura es el maclado, debido a que existen distintas formas de deformar la estructura de alta simetría, la deformación puede tener lugar en diferentes direcciones y en diferentes regiones de la muestra: el resultado es la división de la fase cristalina inicial en muchos dominios martensíticos o “variantes” relacionados a través del maclado (ver figura 4)

Figura 4: Ilustración esquemática de la transformación martensítica y el maclado en dos dimensiones.

Los materiales magnéticos, tal como los ferromagnéticos, antiferromagnéticos y ferrimagnéticos están caracterizados por momentos magnéticos locales en su estructura. Además, en ausencia de un campo magnético externo su magnetización tiene una cierta orientación preferente con respecto a la red cristalina, la llamada dirección de eje fácil. Si la dirección fácil es paralela a la dirección de maclado, entonces en una estructura maclada, los diferentes dominios de macla tendrán direcciones de magnetización distintas (ver figura 5). Cuando un campo externo es aplicado, los momentos magnéticos tratan de alinearse en la dirección del campo. Si la energía requerida para rotar la magnetización hasta la dirección fácil (energía de anisotropía magnética) es mayor que la energía requerida para mover la macla, es energéticamente más favorable mover los contornos de macla en lugar de rotar la magnetización. La fracción de maclas donde el eje fácil está en la dirección del campo  crecerá a expensas de otros dominios de macla. Este proceso culmina con grandes cambios en la forma del material (ver figura 5)

Figura 5: (a) momentos magnéticos sin campo externo. (b) redistribución de los dominios de macla ante un campo aplicado.

Las aleaciones con memoria de forma más usadas son las de Ni-Mn Ga. Lo que hace especial a las aleaciones con memoria de forma magnética de las aleaciones con memoria de forma ordinarias y, a la postre, las convierten en un material único, es que la microestructura martensítica puede manipularse a través de la aplicación de un campo magnético.

Efecto de Memoria de forma magnética (MSME)

Ahora veremos muy someramente en qué consiste el efecto de memoria de forma magnética desde un punto de vista de las propiedades magnéticas del material: Si tenemos la muestra de martensita teniendo la dirección [100] a lo largo de la dirección de la aplicación de la tensión, la dirección [001] (eje corto o fácil) se situará a lo largo de dicho eje tras una compresión. Este proceso de reorientación [100]à[001] a lo largo del eje de tensión va acompañado por una deformación de -5.4% (ver figura 6). A la vez, el proceso de reorientación inverso [001]à[100] se produce en el eje paralelo al campo magnético.

paralela al eje de carga es reorientada por una tensión externa de tal forma que adopta la dirección del eje corto [001] paralela a dicho eje con la consiguiente contracción de la muestra en esa dirección. b) usando un campo magnético cuasiestático y una tensión externa casi 0 – la muestra de un único dominio con la dirección [100] a lo largo del campo magnético es reorientada por éste de tal forma que adopta la dirección [001]. Este es el efecto de memoria de forma magnética o MSME. Notar que la deformación se mide en la dirección de la carga aplicada, perpendicularmente al campo aplicado.”]”]

Figura 6: manipulación de la microestructura de la martensita del compuesto Ni48.6Mn26.3Ga25.1. a) a través de una carga de compresión – una muestra con un único dominio con la dirección [100

Observando la figura 6b, un campo magnético relativamente pequeño de aproximadamente 0.5 T restaura la forma original de la muestra a través de la transformación [100]à[001] en el eje paralelo al campo magnético y la contraria [001]à[100] en el eje de la carga. Se observa, de esta forma una deformación de aproximadamente un 5.7% en la dirección de la carga, perpendicularmente al campo. Este cambio relativamente grande en la forma de la muestra es lo que se conoce como efecto de memoria de forma magnética o MSME.

La deformación teórica máxima para el caso de reorientación completa de la martensita es (c_M – a_M)/a_M = –5.63% para la reorientación [100]à[001] y de (a_M – c_M)/c_M = 5.97% para la reorientación [001]à[100]. Las deformaciones están correlacionadas, lo que se alarga la muestra en una dirección se acorta en una de las otras dos direcciones mientras su volumen permanece constante.

Figura 7: Esquema de la deformación inducida por campo magnético. Si la anisotropía magnetocristalina es grande, rotar el campo H causará un crecimiento gradual de una variante (azul) con el eje c a lo largo de la dirección del campo a expensas de la variante original (gris). Esto puede conducir a un aumento (∆l) considerable en las dimensiones externas del material. Si aplicamos una carga podemos volver a cambiar la orientación del eje c y así tendríamos el MSME.

El desarrollo de las aleaciones con memoria de forma magnética se ha dado en los últimos diez años. No obstantes, aún son bastantens las dificultades existentes para su correcto funcionamiento. En fechas recientes se están desarrollando espumas que solventan muchos de estos problemas. La espuma metálica consiste en una aleación Ni–Mn–Ga cuya estructura recuerda a un queso suizo con muchos huecos entre estructuras de material sólido. Estas estructuras tienen una organización granular similar a la del  bambú y pueden deformarse cuando se aplica un campo magnético.

Figura 8.- Micrografía de la espuma magnética

Y hasta aquí el monográfico sobre las aleaciones con memoria de forma (SMA). Esperamos que os haya resultado de interés.

Un saludo

Antonio J. Contreras.

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