铽-镝-铁磁致伸缩材料以及 利用这些材料的器件 【发明领域】
本发明公开了高强度磁致伸缩材料，该材料能够在从室温到接近绝对零度的宽温度范围内使用。
【发明背景】
虽然铁中的磁致伸缩现象由Joule在1847年首次发现，但是稀土元素镝(Dy)和铽(Tb)在低温下的高磁致伸缩现象(差不多1％)到了1963年才被首次发现。
铽和镝的磁性源于最外层电子(4f)的部分填充。在此层中电子的各相异性分布引起了高度各相异性的磁性和磁致伸缩的特性。当施加了激励磁场时，这种各相异性导致了磁致伸缩突然改变。低于此激励磁场几乎没有磁致伸缩，高于此激励磁场材料在最大磁致伸缩处饱和。铽显示正各向异性，而镝具有负各向异性。
为了获得平稳的磁致伸缩，两种元素合金化在一起。合金Tb0.6Dy0.4显示出最高的磁致伸缩(6300ppm)，但是其有变化温度约为150K。由于其有限的机械强度，作为致动器材料，并不好。
1995年以来，出现了Tb1-xDyxZn，作为对于在~150K的温度以下的应用中的优选磁致伸缩材料。参见美国专利4906879。这种合金的磁致伸缩相似于稀土元素Tb和Dy自身的超磁致伸缩(~0.5％，在77K)，并且这种材料强于TbDy。在几乎所有情况下需要单晶。对于稀土元素，由于对于所有实际的磁场来说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几乎没有产生磁致伸缩。
对在室温下高磁致伸缩材料的探寻深入到这些稀土材料与过渡金属例如铁(Fe)的合金化，最终发现了在Laves相化合物TbFe2中的高磁致伸缩现象。此后很快将镝加入到此化合物以降低各向异性。Tb1-xDyxFe2-y(0.7≤x≤0.8，0≤y≤0.1)表示通常称作Terfeol-D的室温磁致伸缩体。参见美国专利4308474。
所描述的Tb0.3Dy0.7Fe1.95是室温磁致伸缩应用的最佳组成。根据Hathaway和Clark[MRS Bulletin，第XVIII卷，第4期，第34-41页]，此化合物表现出在室温下最高地磁致伸缩。在低于室温的温度下对磁致伸缩的测量表明，对于降低温度到250K磁致伸缩增加，然后当温度在低于那个范围时迅速地降低，由此得出结论，此材料在低温下(＜250K)不是好的磁致伸缩体。参见图1。
发明概述
本发明表征了类型为Tb1-xDyxFe2-y的铽-镝-铁磁致伸缩材料，其中x小于0.7，y小于或等于0.1，该材料在低于293K的所有温度下显示出至少约1000ppm的磁致伸缩。在优选实施例中，x约为0.55，y约为0.1。使用这些材料的器件也具有这些特征。
附图的简要说明
从优选实施方式和附图的下述说明中，本领域的技术人员会发现其它目的，特点和优点，其中：
图1是现有技术的材料Tb0.3Dy0.7Fe1.95相对于温度的磁致伸缩的曲线，表明了低于250K磁致伸缩迅速降低；[MRS Bulletin，第VIIII卷，第4期，第37页]
图2是本发明的Tb1-xDyxFe2-y化合物在77K和施加1300psi的压应力下磁致伸缩数据的曲线；
图3是本发明的Tb1-xDyxFe2-y化合物在4.2K和施加1300psi的压应力下磁致伸缩数据的曲线(对于x＝0.4的例子是900psi)；
图4是本发明的Tb0.45Dy0.55Fe1.9化合物在293K、77K和4.2K以及施加1300psi的压应力下磁致伸缩数据的曲线。
本发明优选实施例的详细描述
已经发现，不同组成的Tb1-xDyxFe2-y化合物(x从至少约0.22至低于约0.7)在低于250K的低温下(例如77K和4.2K)具有相对大的磁致伸缩。参见图2和3。具有0.73的x值的化合物表示现有技术Terfenol-D，它显示了在77K低于200ppm以及在4.2K低于800ppm的饱和磁致伸缩，此量用于商业目的是不够的。无论和纯铁(在293K低于50ppm)相比，还是与可商用的磁致伸缩材料Terfenol-D(在293K下800-1200ppm)相比，本发明的x＝0.55的Tb1-xDyxFe2-y化合物在不同的应用温度下(室温-293K，低温-77K，和4.2K)都具有最大的磁致伸缩(图4)。
虽然Tb1-xDyxZn在低温下具有高的磁致伸缩(参见美国专利4906879)，但由于它复杂、高成本制造方法，因此此材料的商业应用仍是有限制的。基本工艺包括将元素合金化在一起以形成合金锭、然后由该合金锭生长成单晶。由于Zn的沸点(T沸＝1180K)低于Tb(Tb溶＝1630K)或Dy(1682K)的熔点，因此合金化步骤需要密封的坩埚。在合金步骤中需要密封坩埚以防止锌的损失。此额外工作成为了整个工艺中成功或失败的关键因素，而且还增加了成本。随着Fe(T熔＝1809K)、Tb和Dy熔点更相近地匹配，相似地问题不会存在于本发明的Tb1-xDyxFe2-y中。通过相同的布里奇曼(Bridgman)方法，Tb1-xDyxFe2-y的制造工艺和Tb1-xDyxZn相比，相对简单便宜。
基于上述研究，具有特定组成(x从0.22至0.7)的Tb1-xDyxFe2-y在室温和低温下(293K、77K、4.2K)、或者甚至在低于居里温度(对于TbFe2，Tc～697K，对于DyFe2～635K，认为所有Tb1-xDyxFe2-y化合物具有在此范围内的Tc)下具有有用的磁致伸缩(典型地定义为至少约1000ppm)。并且，相对简单的材料制造增加了这些化合物在低温应用方面的潜在应用。
利用与用于制造Terfenol-D的那些相似的技术，可以制造出Tb1-xDyxFe2-y。利用在开放的坩埚内的液相合金化可以实现合金化和晶体生长，这是因为所有的组份在通常的温度范围中是液态的。晶体生长可以通过布里奇曼、修正布里奇曼、定向凝固、Czchrolski或其它晶体生长技术实现。
这些材料具有足够的磁致伸缩，这样它们可以应用于包括线性致动器、线性步进电机、传感器等等在内的低温器件。
线性致动器包含磁致伸缩材料的杆，磁致伸缩材料杆暴露于可调节的磁场或永磁体，可调节的磁场可通过其中可以调节电流的电流线圈，或永恒磁体与杆的接近程度可以调节而实现。在电流线圈中电流或永磁体相对于杆的位置的调节将导致杆根据电流与磁体的接近而伸长。在线性致动器中磁致伸缩杆的长度的变化使得此器件成为优异的线性运动控制器。这些致动器还可以用于构成振动主动(activevibration)控制器和主动定位器。
相同的特性还可以用于构成传感器，该传感器通过检测磁致伸缩材料的几何形状改变来感受磁场或应力的变化。
步进电机采用三个磁致伸缩致动器能够向前或向后的步进运动。此步进电机可以提供几毫米的一次运动，这仅受可用的传动杆长度的限制。
由前述说明和附图本领域的那些技术人员可以发现其它实施方式。