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稀土巨磁致伸缩材料的制备


巨磁致伸缩材料是20世纪70年代发展起来的新型功能材料,具有磁致伸缩应变大,磁-机械耦合系数高,能量密度高,承受压应力大,响应速度快,可靠性好,驱动方式简单等综合优点,在航空航天、机械电子、环境能源、交通运输等领域有重要应用背景。发展到今天,巨磁致伸缩材料已经形成一类重要的金属智能材料,并引发了电子信息系统、传感系统、振动系统等高技术的革命性变化。

  稀土巨磁致伸缩材料是目前使用最广的磁致伸缩材料。制备出稀土巨磁致伸缩材料取向晶体或单晶是实现其优异磁致伸缩特性的关键。制备方法采用定向凝固工艺制备,主要有提拉法、坩埚下降法和区熔法。中科院物理所采用冷坩埚提拉法成功制备出TbDy-FeAl,TbDyFeMn<111>无孪晶单晶体,通过消除了孪晶界对磁畴钉扎作用来提高合金的磁致伸缩。北京科技大学利用低温度、梯度水平炉,获得了<113>轴向取向的稀土巨磁致伸缩材料。钢铁研究总院和有色金属研究总院采用一步法制备工艺,将熔炼、坩埚下降法晶体生长、热处理集成到一套系统中,实现了材料的批量生产。北京航空航天大学采用无坩埚的悬浮区熔法成功制备了<110>取向TbDyHoFe单晶体,该晶体在-60℃和15℃,外加磁场仅为50mT时,磁致伸缩应变分别达到1100×10-6和1054×10-6。使用有坩埚的定向凝固,可以避免表面张力的影响,有利于制备沿轴向性能均匀的大尺寸TbDyFe合金取向晶体。北京科技大学和北京航空航天大学利用区熔法制备出<110>TbDyFe取向晶体,北京航空航天大学制备出直径超过60mm 的<110>和<112>取向TbyDyFe晶体。磁场可以在冷却过程中在材料内部感生磁有序。上海交通大学在常规重力条件下,通过施加更大的静磁场(140 mT) ,获得70%的<111>取向的TbDyFe凝固组织。

  烧结稀土巨磁致伸缩材料的制备方法是将一定成分的母合金破碎成粉末,在模具中压制成型,然后在保护气氛下烧结制成样品。实验表明,粉末压型时的磁场取向和后续样品的磁场热处理对提高材料磁致伸缩性能具有非常重要的作用,通过这些手段制得的烧结TbDyFe合金样品为<111>取向的多晶体,其最大磁致伸缩应变可达1400×10-6。

  针对稀土巨磁致伸缩材料力学性能差,不易加工以及在外加高频交变磁场作用下涡流损耗严重的问题,人们开发了巨磁致伸缩颗粒与树脂混合的复合材料。研究表明,颗粒大小、磁场取向以及树脂粘度均对复合材料的磁致伸缩性能有重要影响。采用较大的TbDyFe合金颗粒和较低的树脂粘度有望获得较高磁致伸缩性能;在磁场下成型可以提高颗粒的择优取向度,进而提高复合材料的磁致伸缩性能。固化温度对粉末粘结材料的密度及抗压强度有明显影响。用颗粒尺寸74~150μm,质量分数为90%的TbDyFe合金颗粒制备出的复合材料在400 kA/m磁场下磁致伸缩应变可达723×10-6。


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