兼具窄滯后與高性能的TbDyHoFe磁致伸縮材料及其研制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁性材料領(lǐng)域，提出一種兼具窄滯后與高性能的TbDyHoFe磁致伸縮材料及其研制方法。
技術(shù)背景
[0002]鐵磁體在磁場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生形狀或者尺寸的變化，這一現(xiàn)象被稱為磁致伸縮。最初的磁致伸縮材料主要是Fe、N1、Co等過渡金屬元素及其化合物。作為一般過渡金屬，由于其軌道角動(dòng)量的凍結(jié)，對(duì)外磁場(chǎng)反應(yīng)不強(qiáng)，故應(yīng)用受到了限制。其后實(shí)現(xiàn)了對(duì)重稀土金屬與磁性過渡族金屬的合金化，合成立方Laves相化合物化合物RFe2。然而，稀土金屬及合金具有很大的磁晶各向異性，只有在較高的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，這類材料才能獲得比較大的磁致伸縮系數(shù)。綜合考慮實(shí)用價(jià)值，也隨著人們對(duì)晶體場(chǎng)理論的研宄加深，用磁致伸縮符號(hào)相同而磁晶各向異性符號(hào)相反的RFeJP R’ Fe 2 (R和R’分別為不同的稀土元素)化合物組成磁晶各向異性相互補(bǔ)償?shù)内I二元系新型化合物RhITxFe2，這類化合物可以在保證高磁致伸縮性能的情況下降低其磁晶各向異性。比較典型的該類合金為稀土巨磁致伸縮材料，最有代表性的就是TbDyFe合金。
[0003]準(zhǔn)同型相界(MPB)原本描述的是鐵電體系中由成分改變?cè)斐傻膬蓚€(gè)鐵電相之間的相界，在MPB處可以得到異常高的壓電性能。調(diào)節(jié)成分使體系處于MPB，此時(shí)兩個(gè)相態(tài)的自由能大小近似相同，體系處于一種極不穩(wěn)定的熱力學(xué)狀態(tài)，從而表現(xiàn)出對(duì)外場(chǎng)響應(yīng)最大、靈敏度最高的特性。施加一個(gè)較小的物理場(chǎng)，即可獲得較大的物理響應(yīng)，而且滯后小。長(zhǎng)期以來，MPB已經(jīng)成為高性能壓電材料的研宄設(shè)計(jì)指南，近來，該概念已由鐵電體拓展到鐵磁體，并發(fā)現(xiàn)兩者具有高度的物理相似性:兩種低對(duì)稱性的晶體結(jié)構(gòu)相共存、自由能近似各向同性、在低驅(qū)動(dòng)場(chǎng)下具有大的應(yīng)變輸出特性。這意味著，通過組分調(diào)控在準(zhǔn)同型相界附近，大大降低相變勢(shì)皇使體系處于高度結(jié)構(gòu)失穩(wěn)狀態(tài)，獲得具有高靈敏度和窄滯后的磁致伸縮材料。
[0004]此外，TbDyFe合金具有很強(qiáng)的磁致伸縮各向異性，常溫下的易磁化方向?yàn)椤?11〉，但是制備〈111〉擇優(yōu)取向的晶體是非常困難的。很多研宄者集中在制備與〈111〉夾角較小的〈112〉和〈110〉取向晶體，也有優(yōu)良的磁致伸縮性能。
[0005]近年來，人們就TbDyFe的滯后特征在1^^2合金系中開發(fā)了不同體系的巨磁致伸縮材料。本發(fā)明基于磁性準(zhǔn)同型相界概念設(shè)計(jì)成分Tba28Dya47Hoa25Fe2,圍繞其制備工藝、取向形成、凝固組織形貌和磁致伸縮性能等方面進(jìn)行了大量的研宄，并通過磁場(chǎng)熱處理進(jìn)一步提高其磁致伸縮性能，以獲取綜合性能較優(yōu)的TbDyHoFe合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種研制兼具窄滯后與高性能的TbDyHoFe磁致伸縮材料及其研制方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
研制兼具窄滯后與高性能的TbDyHoFe磁致伸縮材料的方法包括如下步驟:
O在合金溫度-成分相圖上依據(jù)準(zhǔn)同型相界(即分割具有高溫共同立方結(jié)構(gòu)、兩種低溫四方結(jié)構(gòu)和菱形結(jié)構(gòu)相的邊界)原理，確定室溫附近菱形相和四方相共存狀態(tài)的TbDyHoFe合金成分；
2)依據(jù)所確定成分采用高溫度梯度定向凝固技術(shù)得到〈110〉軸向取向的TbDyHoFe合金，經(jīng)表面和兩端打磨處理后截成Φ7Χ40ι?πι3規(guī)格的合金棒；
3)將合金棒封裝在真空的石英玻璃管中，真空度約為KT1Pa,將封裝好的石英玻璃管置入磁場(chǎng)熱處理爐管的中間部位，在無外磁場(chǎng)條件下均勻升溫到400?800°C，保溫1min?2h后開始爐冷降溫，同時(shí)施加外磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.1?2T，磁場(chǎng)方向與合金棒軸向成90°角，爐冷至室溫后取出，得到兼具窄滯后與高性能的TbDyHoFe磁致伸縮材料。
[0008]所述的〈110〉軸向取向的合金棒，其化學(xué)式為Tba28Dya47Hoa25Fe^
[0009]所述方法制備的兼具窄滯后與高性能的TbDyHoFe磁致伸縮材料的化學(xué)式為Tba2
δ^Υο.47^0.25作2。
[0010]本發(fā)明通過添加合金成分Ho設(shè)計(jì)準(zhǔn)同型相界成分以及后續(xù)磁場(chǎng)熱處理，使得〈I 10>軸向取向的TbDyHoFe合金棒在無預(yù)壓應(yīng)力的情況下的磁致伸縮系數(shù)提高了 25~36%，壓磁系數(shù)則提高了 104~133%，磁滯后降低近40%。施加預(yù)壓應(yīng)力后的磁致伸縮性能則有進(jìn)一步的提高，線性段進(jìn)一步增長(zhǎng)，而且該發(fā)明的實(shí)施步驟簡(jiǎn)單易行，便于商業(yè)化生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0011]在本發(fā)明中，I)〈110〉軸向取向合金的制備:原材料為高純(99.9%)的Tb、Dy、Ho和Fe。該合金棒采用“一步法”工藝(即熔煉、定向凝固、熱處理在一臺(tái)設(shè)備上連續(xù)完成)制備。即先將熔煉設(shè)備抽真空到KT3Pa時(shí)充入高純氬氣，然后采用高頻感應(yīng)加熱，在超高溫度梯度下實(shí)現(xiàn)定向凝固，之后在爐中進(jìn)一步做熱處理。2)磁場(chǎng)熱處理:為了防止樣品在磁場(chǎng)熱處理過程中氧化，在進(jìn)行磁場(chǎng)熱處理之前，先將樣品封裝在真空的石英玻璃管中，真空度約為K^Pa。然后將石英玻璃管放置在磁場(chǎng)熱處理爐中并固定好。均勻升溫到特定的熱處理溫度后，保溫一段時(shí)間，并施加磁場(chǎng)，之后爐冷至室溫后取出。3)磁性能測(cè)量:主要測(cè)試磁場(chǎng)熱處理對(duì)〈110〉軸向取向TbDyHoFe合金棒的軸向磁致伸縮性能的影響。應(yīng)變的測(cè)量采用電測(cè)法，電測(cè)法具有使用簡(jiǎn)單、精度高的特點(diǎn)，并且由于磁場(chǎng)變化慢，電阻應(yīng)變片基本不受磁場(chǎng)的影響，我們采用惠更斯電橋技術(shù)測(cè)量應(yīng)變，需要注意的是需要采用屏蔽線作為信號(hào)避免噪音影響。此外，我們還測(cè)量了施加了預(yù)壓應(yīng)力的TbDyHoFe合金棒的磁致伸縮系數(shù)在磁場(chǎng)熱處理前后的變化。
[0012]實(shí)施例1
I )〈 110>軸向取向的Tb。.28Dy0.47Ho0.25Fe2合金經(jīng)表面及兩端打磨處理后截成Φ 7 X 40mm3規(guī)格的合金棒，并測(cè)量合金棒的磁致伸縮λ隨外磁場(chǎng)H的變化率d λ /dH與H的關(guān)系。得到飽和磁致伸縮值XmS 700ppm，磁滯后為6.36kA/m，壓磁系數(shù)d 33為9850 X 10
[0013]2)將合金棒封裝在真空的石英玻璃管中，真空度約為KT1Pa,將封裝好的石英玻璃管放入磁場(chǎng)熱處理爐管的中間位置，在無外磁場(chǎng)條件下均勻升溫到400°C，保溫1min后開始爐冷降溫，同時(shí)施加外磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.1T，磁場(chǎng)方向與合金棒軸向垂直，爐冷至室溫后取出。