兼具窄滞后与高性能的TBDYHOFE磁致伸缩材料及其研制方法.pdf

本发明公开了一种兼具窄滞后与高性能的TbDyHoFe磁致伸缩材料及其研制方法。包括步骤：1）在合金温度-成分相图上依据准同型相界原理，确定室温附近菱形相和四方相共存状态的TbDyHoFe合金成分；2）采用定向凝固技术得到<110>轴向取向的TbDyHoFe合金，经处理后截成合金棒；3）将合金棒封装在真空的石英玻璃管中，将封装好的石英玻璃管置入磁场热处理炉管的中间部位，在无外磁场条件下均匀升温并保温后开始炉冷降温，施加外磁场，炉冷至室温后取出。本发明基于准同型相界原理设计了新成分Tb0.28Dy0.47Ho0.25Fe2，采用定向凝固技术和磁场热处理，在无预压应力的情况下的磁致伸缩系数提高了25～36%，压磁系数则提高了104～133%，磁滞后降低近40%。施加预压应力后的磁致伸缩性能则有进一步的提高。

1.  一种研制兼具窄滞后与高性能的TbDyHoFe磁致伸缩材料的方法，其特征在于包括如下步骤：
1） 在合金温度-成分相图上依据准同型相界原理确定室温附近菱形相和四方相共存状态的TbDyHoFe合金成分，所述的准同型相界即分割具有高温共同立方结构、两种低温四方结构和菱形结构相的边界;
2）依据所确定成分采用高温度梯度定向凝固技术得到<110>轴向取向的TbDyHoFe合金，经表面和两端打磨处理后截成Φ7×40mm³规格的合金棒；
3）将合金棒封装在真空的石英玻璃管中，真空度约为10^-1Pa，将封装好的石英玻璃管置入磁场热处理炉管的中间部位，在无外磁场条件下均匀升温到400～800℃，保温10min～2h后开始炉冷降温，同时施加外磁场，磁场强度为0.1～2T，磁场方向与合金棒轴向成90°角，炉冷至室温后取出，得到兼具窄滞后与高性能的TbDyHoFe磁致伸缩材料。

2.  根据权利要求1所述的一种兼具窄滞后与高性能的TbDyHoFe磁致伸缩合金获得方法，其特征在于：所述的<110>轴向取向的合金棒，其化学式为Tb_0.28Dy_0.47Ho_0.25Fe₂。

3.  一种如权利要求1所述方法制备的兼具窄滞后与高性能的TbDyHoFe磁致伸缩材料，其特征在于所述的TbDyHoFe磁致伸缩材料的化学式为Tb_0.28Dy_0.47Ho_0.25Fe₂。

兼具窄滞后与高性能的TbDyHoFe磁致伸缩材料及其研制方法
技术领域
本发明涉及磁性材料领域，提出一种兼具窄滞后与高性能的TbDyHoFe磁致伸缩材料及其研制方法。
技术背景
铁磁体在磁场作用下会发生形状或者尺寸的变化，这一现象被称为磁致伸缩。最初的磁致伸缩材料主要是Fe、Ni、Co等过渡金属元素及其化合物。作为一般过渡金属，由于其轨道角动量的冻结，对外磁场反应不强，故应用受到了限制。其后实现了对重稀土金属与磁性过渡族金属的合金化，合成立方Laves相化合物化合物RFe₂。然而，稀土金属及合金具有很大的磁晶各向异性，只有在较高的磁场驱动下，这类材料才能获得比较大的磁致伸缩系数。综合考虑实用价值，也随着人们对晶体场理论的研究加深，用磁致伸缩符号相同而磁晶各向异性符号相反的RFe₂和R’Fe₂ (R和R’分别为不同的稀土元素)化合物组成磁晶各向异性相互补偿的赝二元系新型化合物R_1-xR’_xFe₂，这类化合物可以在保证高磁致伸缩性能的情况下降低其磁晶各向异性。比较典型的该类合金为稀土巨磁致伸缩材料，最有代表性的就是TbDyFe合金。
准同型相界（MPB）原本描述的是铁电体系中由成分改变造成的两个铁电相之间的相界，在MPB处可以得到异常高的压电性能。调节成分使体系处于MPB，此时两个相态的自由能大小近似相同，体系处于一种极不稳定的热力学状态，从而表现出对外场响应最大、灵敏度最高的特性。施加一个较小的物理场，即可获得较大的物理响应，而且滞后小。长期以来，MPB已经成为高性能压电材料的研究设计指南，近来，该概念已由铁电体拓展到铁磁体，并发现两者具有高度的物理相似性：两种低对称性的晶体结构相共存、自由能近似各向同性、在低驱动场下具有大的应变输出特性。这意味着，通过组分调控在准同型相界附近，大大降低相变势垒使体系处于高度结构失稳状态，获得具有高灵敏度和窄滞后的磁致伸缩材料。
 此外，TbDyFe合金具有很强的磁致伸缩各向异性，常温下的易磁化方向为<111>，但是制备<111>择优取向的晶体是非常困难的。很多研究者集中在制备与<111>夹角较小的<112>和<110>取向晶体，也有优良的磁致伸缩性能。
 近年来，人们就TbDyFe的滞后特征在RFe₂合金系中开发了不同体系的巨磁致伸缩材料。本发明基于磁性准同型相界概念设计成分Tb_0.28Dy_0.47Ho_0.25Fe₂，围绕其制备工艺、取向形成、凝固组织形貌和磁致伸缩性能等方面进行了大量的研究，并通过磁场热处理进一步提高其磁致伸缩性能，以获取综合性能较优的TbDyHoFe合金。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种研制兼具窄滞后与高性能的TbDyHoFe磁致伸缩材料及其研制方法。
本发明的技术方案如下：
研制兼具窄滞后与高性能的TbDyHoFe磁致伸缩材料的方法包括如下步骤：
1）在合金温度-成分相图上依据准同型相界（即分割具有高温共同立方结构、两种低温四方结构和菱形结构相的边界）原理，确定室温附近菱形相和四方相共存状态的TbDyHoFe合金成分；
2）依据所确定成分采用高温度梯度定向凝固技术得到<110>轴向取向的TbDyHoFe合金，经表面和两端打磨处理后截成Φ7×40mm³规格的合金棒；
3）将合金棒封装在真空的石英玻璃管中，真空度约为10^-1Pa，将封装好的石英玻璃管置入磁场热处理炉管的中间部位，在无外磁场条件下均匀升温到400～800℃，保温10min～2h后开始炉冷降温，同时施加外磁场，磁场强度为0.1～2T，磁场方向与合金棒轴向成90°角，炉冷至室温后取出，得到兼具窄滞后与高性能的TbDyHoFe磁致伸缩材料。
所述的<110>轴向取向的合金棒，其化学式为Tb_0.28Dy_0.47Ho_0.25Fe₂。
所述方法制备的兼具窄滞后与高性能的TbDyHoFe磁致伸缩材料的化学式为Tb_0.28Dy_0.47Ho_0.25Fe_2。
本发明通过添加合金成分Ho设计准同型相界成分以及后续磁场热处理，使得<110>轴向取向的TbDyHoFe合金棒在无预压应力的情况下的磁致伸缩系数提高了25~36%，压磁系数则提高了104~133%，磁滞后降低近40%。施加预压应力后的磁致伸缩性能则有进一步的提高，线性段进一步增长，而且该发明的实施步骤简单易行，便于商业化生产。
具体实施方式
在本发明中，1）<110>轴向取向合金的制备：原材料为高纯（99.9%）的Tb、Dy、Ho和Fe。该合金棒采用“一步法”工艺（即熔炼、定向凝固、热处理在一台设备上连续完成）制备。即先将熔炼设备抽真空到10^-3Pa时充入高纯氩气，然后采用高频感应加热，在超高温度梯度下实现定向凝固，之后在炉中进一步做热处理。2）磁场热处理：为了防止样品在磁场热处理过程中氧化，在进行磁场热处理之前，先将样品封装在真空的石英玻璃管中，真空度约为10^-1Pa。然后将石英玻璃管放置在磁场热处理炉中并固定好。均匀升温到特定的热处理温度后，保温一段时间，并施加磁场，之后炉冷至室温后取出。3）磁性能测量：主要测试磁场热处理对<110>轴向取向TbDyHoFe合金棒的轴向磁致伸缩性能的影响。应变的测量采用电测法，电测法具有使用简单、精度高的特点，并且由于磁场变化慢，电阻应变片基本不受磁场的影响，我们采用惠更斯电桥技术测量应变，需要注意的是需要采用屏蔽线作为信号避免噪音影响。此外，我们还测量了施加了预压应力的TbDyHoFe合金棒的磁致伸缩系数在磁场热处理前后的变化。
实施例1
1）<110>轴向取向的Tb_0.28Dy_0.47Ho_0.25Fe₂合金经表面及两端打磨处理后截成Φ7×40mm³规格的合金棒，并测量合金棒的磁致伸缩λ随外磁场H的变化率dλ/dH与H的关系。得到饱和磁致伸缩值λ_m为700ppm，磁滞后为6.36kA/m，压磁系数d₃₃为9850×10^-6T^-1。
2）将合金棒封装在真空的石英玻璃管中，真空度约为10^-1Pa，将封装好的石英玻璃管放入磁场热处理炉管的中间位置，在无外磁场条件下均匀升温到400℃，保温10min后开始炉冷降温，同时施加外磁场，磁场强度为0.1T，磁场方向与合金棒轴向垂直，炉冷至室温后取出。
3）磁场热处理后再次测量合金棒的磁致伸缩λ以及磁滞后随外磁场H的变化及磁致伸缩值λ随H的变化率dλ/dH与H的关系。得到饱和磁致伸缩值λ_m为875ppm，压磁系数d₃₃为20100×10^-6T^-1，分别比磁场热处理前提高了25%和104%，磁滞后为4.45 kA/m，比磁场热处理前降低了30%。
实施例2
1）<110>轴向取向的TbDyHoFe合金经表面及两端打磨处理后截成Φ7×40mm³规格的合金棒，并测量合金棒的磁致伸缩λ随外磁场H的变化率dλ/dH与H的关系。得到饱和磁致伸缩值λ_m为720ppm，磁滞后为6.82kA/m，压磁系数d₃₃为10020×10^-6T^-1。
2）将合金棒封装在真空的石英玻璃管中，真空度约为10^-1Pa，将封装好的石英玻璃管放入磁场热处理炉管的中间位置，在无外磁场条件下均匀升温到500℃，保温10min后开始炉冷降温，同时施加外磁场，磁场强度为0.1T，磁场方向与合金棒轴向垂直，炉冷至室温后取出。
3）磁场热处理后再次测量合金棒的磁致伸缩λ以及磁滞后随外磁场H的变化及磁致伸缩值λ随H的变化率dλ/dH与H的关系。当改变保温时间为2h时，饱和磁致伸缩值λ_m为900ppm，压磁系数d₃₃为21350×10^-6T^-1，分别比磁场热处理前提高了25%和113%，磁滞后为4.52 kA/m，比磁场热处理前降低了34%。
实施例3
1）<110>轴向取向的TbDyHoFe合金经表面及两端打磨处理后截成Φ7×40mm³规格的合金棒，并测量合金棒的磁致伸缩λ随外磁场H的变化率dλ/dH与H的关系。得到饱和磁致伸缩值λ_m为706ppm，磁滞后为7.32kA/m，压磁系数d₃₃为12160×10^-6T^-1。
2）将合金棒封装在真空的石英玻璃管中，真空度约为10^-1Pa，将封装好的石英玻璃管放入磁场热处理炉管的中间位置，在无外磁场条件下均匀升温到500℃，保温10min后开始炉冷降温，同时施加外磁场，磁场强度为0.1T，磁场方向与合金棒轴向垂直，炉冷至室温后取出。
3）磁场热处理后再次测量合金棒的磁致伸缩λ以及磁滞后随外磁场H的变化及磁致伸缩值λ随H的变化率dλ/dH与H的关系。当施加磁场的强度为1.2T时，饱和磁致伸缩值λ_m为920ppm，压磁系数d₃₃为25600×10^-6T^-1，分别比磁场热处理前提高了30%和110%，磁滞后为4.60 kA/m，比磁场热处理前降低了37%。
实施例4
1）<110>轴向取向的TbDyHoFe合金经表面及两端打磨处理后截成Φ7×40mm³规格的合金棒，并测量合金棒的磁致伸缩λ随外磁场H的变化率dλ/dH与H的关系。得到饱和磁致伸缩值λ_m为725ppm，磁滞后为7.10kA/m，压磁系数d₃₃为11820×10^-6T^-1。
2）将合金棒封装在真空的石英玻璃管中，真空度约为10^-1Pa，将封装好的石英玻璃管放入磁场热处理炉管的中间位置，在无外磁场条件下均匀升温到500℃，保温10min后开始炉冷降温，同时施加外磁场，磁场强度为0.1T，磁场方向与合金棒轴向垂直，炉冷至室温后取出。
3）磁场热处理后再次测量合金棒的磁致伸缩λ以及磁滞后随外磁场H的变化及磁致伸缩值λ随H的变化率dλ/dH与H的关系。当改变热处理的温度为800℃时，饱和磁致伸缩值λ_m为985ppm，压磁系数d₃₃为27500×10^-6T^-1，分别比磁场热处理前提高了36%和133%，磁滞后为4.40 kA/m，比磁场热处理前降低了38%。