轻稀土磁致伸缩材料的物性及准同型相界的磁弹机制研究

摘要

RFe2（R=稀土）型巨磁致伸缩合金是一类重要的磁性功能材料。作为巨磁致伸缩材料的代表，Terfenol-D(Tb0.27Dy0.73Fe2)以其优异的低场大响应特性，而被广泛地应用于声呐、雷达、传感器等国防军事领域。但是具有“黑色黄金”之称的Terfenol-D主要以昂贵的重稀土Tb和Dy为原料，这在一定程度上限制了它的广泛应用。因此，通过改善制备工艺，开发出价格低廉的轻稀土Pr/Nd基巨磁致伸缩材料，并探究巨磁致伸缩材料优异磁弹响应的物理机制是当前研究的重点。
　　本论文采用高压退火的方法，克服了轻稀土Pr/Nd基化合物不能形成单一立方Laves相的困难，制备了一系列轻稀土Pr/Nd基巨磁致伸缩材料，并研究了过渡金属替换，多元合金补偿和晶粒尺寸效应对材料性能的影响。此外，我们还采用唯象近似和相场方法对铁磁准同型相界附近的磁畴微结构和磁致伸缩机制展开了研究。主要研究成果分以下四个方面：
　　1.过渡金属Co掺杂对单轻稀土基Nd(Fe1-xCox)1.9和双轻稀土补偿材料Pr0.5Nd0.5(Fe1-xCox)1.9微结构、磁性和磁致伸缩的影响研究
　　我们采用高温高压退火的方法成功合成了单一轻稀土Nd基Nd(Fe1-xCox)1.9(0≤x≤0.4)合金和双轻稀土各向异性补偿系统Pr0.5Nd0.5(Fe1-xCox)1.9(0≤x≤0.4)系列合金。研究发现对于传统的常压退火方法，只有Co掺杂量大于40％时，立方Laves相才会成为主相；相反，高压退火可以保证所有的成分均为立方Laves相。晶体结构分析表明，Co替换Fe会降低RFe2合金的晶格常数。无论对于单一轻稀土还是各向异性补偿系统，少量的Co掺杂都可以增加材料的居里温度和饱和磁化强度。此外，少量的Co掺杂会增加轻稀土Pr/Nd基立方Laves相化合物的自旋再取向温度并改善材料的磁致伸缩性能。最后，构建了轻稀土Pr/Nd基立方Laves相化合物的自旋结构相图，为后续的工作提供了实验依据。
　　2.多元TbxDyyNdz(Fe0.9Co0.1)1.93合金结构、磁性和磁致伸缩优化的研究
　　我们通过调节TbxDyyFe1.93补偿系统和轻稀土基TbxNdzFe1.93补偿系统，并引入适量的Co替换Fe，实现了多元TbxDyyNdz(Fe0.9Co0.1)1.93(z=1-x-y)合金体系的低Tb含量各向异性再补偿。通过分析精细扫描X射线衍射，交流初始磁化率，磁致伸缩以及各向异性常数的分析，我们发现Tb0.253Dy0.657Nd0.09(Fe0.9 Co0.1)1.93具有最低的各向异性。此外，我们还构建了TbxDyyNdz(Fe0.9 Co0.1)1.93合金体系的自旋结构相图，为多元合金各向异性补偿的研究提供了实验依据。补偿合金Tb0.253Dy0.657Nd0.09(Fe0.9 Co0.1)1.93在1kOe外加磁场下的磁致伸缩值达197ppm，比Co掺杂的样品在同样磁场的磁致伸缩（62ppm）的两倍还多。此外其饱和磁致伸缩值达到945ppm，这远高于Ho掺杂的多成分补偿系统单晶Tb0.2Dy0.22Ho0.58Fe2(λs=530ppm)，甚至可以和高Tb含量的纯重稀土基Tb0.3Dy0.7(Fe0.8Co0.2)2(λs=980ppm)的饱和磁致伸缩相比拟。这同时也表明合适比例的轻稀土Nd替代重稀土Tb和Dy是降低材料各向异性和增强磁致伸缩性能的有效方法。
　　3.轻稀土Pr/Nd基巨磁致伸缩大块纳米晶材料的合成及其物性研究
　　我们通过高压退火非晶条带的方法，获得了一系列轻稀土Pr/Nd基大块纳米晶巨磁致伸缩材料，并有效改善了轻稀土Pr/Nd基RFe2型合金的磁致伸缩性能。通过控制材料的成分、退火温度和压强，我们获得了不同相构成、不同晶粒尺寸的大块纳米晶材料，并对其结构、磁性和磁致伸缩性能进行了具体分析。结晶动力学分析表明，小原子B的加入可以加强前驱体的非晶化程度，Cu、Zr、Nb等形核中心的加入可以增加结核率并抑制晶粒的过度长大。晶粒尺寸随着压强的增加而减小，随着温度的增加而增大；立方Laves相的比例随着压强的增加先增加后减少，随着温度的增加而增加。高性能大块纳米晶材料的磁致伸缩由晶粒尺寸和立方Laves相所占的比例来决定。本工作为新型巨磁致伸缩材料尤其是轻稀土Pr/Nd基RFe2型化合物的研发提供了新的研究思路和重要的的实验依据。
　　4.Tb1-xDyxFe2系列合金铁磁准同型相界附近的畴结构和磁弹机制研究
　　我们采用相场微磁-微弹模型，系统研究了Tb1-xDyxFe2(Terfenol-D)准同型相界(MPB)附近的磁畴微结构和磁致伸缩增强的机制。我们提出了一种桥接畴机理对实验上观测到的两相共存现象进行了解释，并给出了桥接畴结构形成的能量起源。我们发现四方相桥接畴作为一种中间态，为远离外场方向的菱方相向外场方向翻转提供了低的能量路径。该结果为MPB附近低场大磁致伸缩响应提供了详细的畴翻转机制。对比了铁电和铁磁两类铁性智能材料在MPB处类似畴结构形成和演化的特征能量项，指出这两类系统在MPB处从序参量、畴结构到宏观性能响应的高度物理相似性。该工作给出了铁磁准同型相界附近具体的畴结构演化和优异磁致伸缩性能的微观机制，为新型磁致伸缩材料的研发与应用提供了理论依据。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 磁致伸缩效应

1.2 磁致伸缩材料的研究进展

1.3 RFe2型巨磁致伸化合物的理论研究工作

1.4 巨磁致伸缩材料的应用

1.5 论文研究内容和研究成果概述

第二章 实验和理论模拟方法

2.1 实验方法

2.2 样品性能表征

2.3 铁磁准同型相界 (MPB) 附近的理论研究：相场方法

第三章Co掺杂对轻稀土Pr/Nd基RFe2型合金的结构、磁性及磁致伸缩的影响

3.1引言

3.2实验方法

3.3结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 多元TbxDyyNdz(Fe0.9Co0.1)1.93合金的磁性和磁致伸缩优化

4.1引言

4.2实验方法

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 轻稀土Pr/Nd基巨磁致伸缩大块纳米晶材料的合成及物性研究

5.1引言

5.2实验方法

5.3结果与讨论

5.4 本章小结

第六章TbxDy1-x(Fe0.9Mn0.1)1.93系统的各向异性补偿和磁致伸缩性质：实验和唯象理论研究

6.1引言

6.2实验方法

6.3实验结果与讨论

6.4补偿点处磁弹效应增强的起源－唯象理论近似

6.5 本章小结

第七章 Tb1-xDyxFe2系列合金准同型相界附近的畴结构和磁致伸缩响应：相场方法模拟

7.1引言

7.2相场方法介绍

7.3结果讨论与分析

7.3本章小结

第八章 总结与展望

8.1 总结

8.2今后可开展的工作

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文