專(zhuān)利名稱(chēng)：鋱－鏑－鐵磁致伸縮材料以及利用這些材料的器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開(kāi)了高強(qiáng)度磁致伸縮材料，該材料能夠在從室溫到接近絕對(duì)零度的寬溫度范圍內(nèi)使用。
背景技術(shù)：
雖然鐵中的磁致伸縮現(xiàn)象由Joule在1847年首次發(fā)現(xiàn)，但是稀土元素鏑(Dy)和鋱(Tb)在低溫下的高磁致伸縮現(xiàn)象(差不多1％)到了1963年才被首次發(fā)現(xiàn)。
鋱和鏑的磁性源于最外層電子(4f)的部分填充。在此層中電子的各相異性分布引起了高度各相異性的磁性和磁致伸縮的特性。當(dāng)施加了激勵(lì)磁場(chǎng)時(shí)，這種各相異性導(dǎo)致了磁致伸縮突然改變。低于此激勵(lì)磁場(chǎng)幾乎沒(méi)有磁致伸縮，高于此激勵(lì)磁場(chǎng)材料在最大磁致伸縮處飽和。鋱顯示正各向異性，而鏑具有負(fù)各向異性。
為了獲得平穩(wěn)的磁致伸縮，兩種元素合金化在一起。合金Tb0.6Dy0.4顯示出最高的磁致伸縮(6300ppm)，但是其有變化溫度約為150K。由于其有限的機(jī)械強(qiáng)度，作為致動(dòng)器材料，并不好。
1995年以來(lái)，出現(xiàn)了Tb1-xDyxZn，作為對(duì)于在~150K的溫度以下的應(yīng)用中的優(yōu)選磁致伸縮材料。參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利4906879。這種合金的磁致伸縮相似于稀土元素Tb和Dy自身的超磁致伸縮(~0.5％，在77K)，并且這種材料強(qiáng)于TbDy。在幾乎所有情況下需要單晶。對(duì)于稀土元素，由于對(duì)于所有實(shí)際的磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)磁化基本主要保持在基面中，因此取向是非常重要的。在平面之外的方向上取向的晶粒幾乎沒(méi)有產(chǎn)生磁致伸縮。
對(duì)在室溫下高磁致伸縮材料的探尋深入到這些稀土材料與過(guò)渡金屬例如鐵(Fe)的合金化，最終發(fā)現(xiàn)了在Laves相化合物TbFe2中的高磁致伸縮現(xiàn)象。此后很快將鏑加入到此化合物以降低各向異性。Tb1-xDyxFe2-y(0.7≤x≤0.8，0≤y≤0.1)表示通常稱(chēng)作Terfeol-D的室溫磁致伸縮體。參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利4308474。
所描述的Tb0.3Dy0.7Fe1.95是室溫磁致伸縮應(yīng)用的最佳組成。根據(jù)Hathaway和Clark[MRS Bulletin，第XVIII卷，第4期，第34-41頁(yè)]，此化合物表現(xiàn)出在室溫下最高的磁致伸縮。在低于室溫的溫度下對(duì)磁致伸縮的測(cè)量表明，對(duì)于降低溫度到250K磁致伸縮增加，然后當(dāng)溫度在低于那個(gè)范圍時(shí)迅速地降低，由此得出結(jié)論，此材料在低溫下(＜250K)不是好的磁致伸縮體。參見(jiàn)

圖1。
發(fā)明概述本發(fā)明表征了類(lèi)型為T(mén)b1-xDyxFe2-y的鋱-鏑-鐵磁致伸縮材料，其中x小于0.7，y小于或等于0.1，該材料在低于293K的所有溫度下顯示出至少約1000ppm的磁致伸縮。在優(yōu)選實(shí)施例中，x約為0.55，y約為0.1。使用這些材料的器件也具有這些特征。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明從優(yōu)選實(shí)施方式和附圖的下述說(shuō)明中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)其它目的，特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的材料Tb0.3Dy0.7Fe1.95相對(duì)于溫度的磁致伸縮的曲線，表明了低于250K磁致伸縮迅速降低；[MRS Bulletin，第VIIII卷，第4期，第37頁(yè)]圖2是本發(fā)明的Tb1-xDyxFe2-y化合物在77K和施加1300psi的壓應(yīng)力下磁致伸縮數(shù)據(jù)的曲線；圖3是本發(fā)明的Tb1-xDyxFe2-y化合物在4.2K和施加1300psi的壓應(yīng)力下磁致伸縮數(shù)據(jù)的曲線(對(duì)于x＝0.4的例子是900psi)；圖4是本發(fā)明的Tb0.45Dy0.55Fe1.9化合物在293K、77K和4.2K以及施加1300psi的壓應(yīng)力下磁致伸縮數(shù)據(jù)的曲線。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，不同組成的Tb1-xDyxFe2-y化合物(x從至少約0.22至低于約0.7)在低于250K的低溫下(例如77K和4.2K)具有相對(duì)大的磁致伸縮。參見(jiàn)圖2和3。具有0.73的x值的化合物表示現(xiàn)有技術(shù)Terfenol-D，它顯示了在77K低于200ppm以及在4.2K低于800ppm的飽和磁致伸縮，此量用于商業(yè)目的是不夠的。無(wú)論和純鐵(在293K低于50ppm)相比，還是與可商用的磁致伸縮材料Terfenol-D(在293K下800-1200ppm)相比，本發(fā)明的x＝0.55的Tb1-xDyxFe2-y化合物在不同的應(yīng)用溫度下(室溫-293K，低溫-77K，和4.2K)都具有最大的磁致伸縮(圖4)。
雖然Tb1-xDyxZn在低溫下具有高的磁致伸縮(參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利4906879)，但由于它復(fù)雜、高成本制造方法，因此此材料的商業(yè)應(yīng)用仍是有限制的?；竟に嚢▽⒃睾辖鸹谝黄鹨孕纬珊辖疱V、然后由該合金錠生長(zhǎng)成單晶。由于Zn的沸點(diǎn)(T沸＝1180K)低于Tb(Tb溶＝1630K)或Dy(1682K)的熔點(diǎn)，因此合金化步驟需要密封的坩堝。在合金步驟中需要密封坩堝以防止鋅的損失。此額外工作成為了整個(gè)工藝中成功或失敗的關(guān)鍵因素，而且還增加了成本。隨著Fe(T熔＝1809K)、Tb和Dy熔點(diǎn)更相近地匹配，相似地問(wèn)題不會(huì)存在于本發(fā)明的Tb1-xDyxFe2-y中。通過(guò)相同的布里奇曼(Bridgman)方法，Tb1-xDyxFe2-y的制造工藝和Tb1-xDyxZn相比，相對(duì)簡(jiǎn)單便宜。
基于上述研究，具有特定組成(x從0.22至0.7)的Tb1-xDyxFe2-y在室溫和低溫下(293K、77K、4.2K)、或者甚至在低于居里溫度(對(duì)于TbFe2，Tc～697K，對(duì)于DyFe2～635K，認(rèn)為所有Tb1-xDyxFe2-y化合物具有在此范圍內(nèi)的Tc)下具有有用的磁致伸縮(典型地定義為至少約1000ppm)。并且，相對(duì)簡(jiǎn)單的材料制造增加了這些化合物在低溫應(yīng)用方面的潛在應(yīng)用。
利用與用于制造Terfenol-D的那些相似的技術(shù)，可以制造出Tb1-xDyxFe2-y。利用在開(kāi)放的坩堝內(nèi)的液相合金化可以實(shí)現(xiàn)合金化和晶體生長(zhǎng)，這是因?yàn)樗械慕M份在通常的溫度范圍中是液態(tài)的。晶體生長(zhǎng)可以通過(guò)布里奇曼、修正布里奇曼、定向凝固、Czchrolski或其它晶體生長(zhǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
這些材料具有足夠的磁致伸縮，這樣它們可以應(yīng)用于包括線性致動(dòng)器、線性步進(jìn)電機(jī)、傳感器等等在內(nèi)的低溫器件。
線性致動(dòng)器包含磁致伸縮材料的桿，磁致伸縮材料桿暴露于可調(diào)節(jié)的磁場(chǎng)或永磁體，可調(diào)節(jié)的磁場(chǎng)可通過(guò)其中可以調(diào)節(jié)電流的電流線圈，或永恒磁體與桿的接近程度可以調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)。在電流線圈中電流或永磁體相對(duì)于桿的位置的調(diào)節(jié)將導(dǎo)致桿根據(jù)電流與磁體的接近而伸長(zhǎng)。在線性致動(dòng)器中磁致伸縮桿的長(zhǎng)度的變化使得此器件成為優(yōu)異的線性運(yùn)動(dòng)控制器。這些致動(dòng)器還可以用于構(gòu)成振動(dòng)主動(dòng)(activevibration)控制器和主動(dòng)定位器。
相同的特性還可以用于構(gòu)成傳感器，該傳感器通過(guò)檢測(cè)磁致伸縮材料的幾何形狀改變來(lái)感受磁場(chǎng)或應(yīng)力的變化。
步進(jìn)電機(jī)采用三個(gè)磁致伸縮致動(dòng)器能夠向前或向后的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。此步進(jìn)電機(jī)可以提供幾毫米的一次運(yùn)動(dòng)，這僅受可用的傳動(dòng)桿長(zhǎng)度的限制。
由前述說(shuō)明和附圖本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員可以發(fā)現(xiàn)其它實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1. 一種式為T(mén)b1-xDyxFe2-y的鋱-鏑-鐵磁致伸縮材料，其中x約為0.55，y約為0.1，其中在從低于250K至293K的溫度，該材料顯示出至少約1000ppm的磁致伸縮。
2.包括權(quán)利要求1的材料的器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的材料，其中該材料在4.2K和77K下顯示出至少2000ppm的飽和磁致伸縮。
全文摘要
一種類(lèi)型為T(mén)b
文檔編號(hào)H01L41/16GK1463446SQ02801962
公開(kāi)日2003年12月24日 申請(qǐng)日期2002年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月29日
發(fā)明者C·H·喬希, 戴璆瑛 申請(qǐng)人:埃內(nèi)根公司