巨磁致伸缩TbDy(Ho)Fe合金的准同型相界研究

摘要

TbDyFe合金是目前磁致伸缩系数最高的材料，能够在外磁场作用下伸长和缩短，实现电磁能和机械能快速和高效转换。它是兼有大输出力和纳米级高控制精度的重要智能材料，在高灵敏传感、高精度观测定位、微位移控制、主动减振和高分辨声纳技术等领域有重要的应用前景。最新的理论研究表明，当合金成分位于准同型相界（Morphotropic Phase Boundary,MPB）附近时，两个共存的低对称相自由能近似相等，整体自由能近似各向同性，因而磁致伸缩系数最大，且滞后最小。MPB原理已成为设计高性能磁致伸缩材料的一种新途径。本文采用原位交温XRD研究了TbDyFe合金穿越MPB时的结构演变，采用高分辨透射电镜研究了MPB附近的局域晶格对称性和畴结构;设计了MPB温度在室温附近的TbDyHoFe四元合金，采用区熔定向凝固技术制备了<110>取向材料，并进行磁场退火处理，提高了材料的磁致伸缩性能。主要结果如下:
　　发现铁磁MPB在畴结构上也与铁电MPB具有高度的相似性:两相共存的纳米畴是低场大应变的结构根源。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。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:两相共存、自由能近似各向同性、低场大应变。铁磁MPB是否也具有与铁电类似的两相共存纳米畴结构，尚不清楚。采用交流磁化率测量，确定了Tb0.3Dy0.7Fe2的MPB温度为258 K;原位X射线衍射(XRD)研究表明在MPB附近较宽的温度范围为菱形(R)和四方(T)两相共存;采用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)研究了MPB附近的局域畴结构，室温(293 K)时两相都是不规则形状的纳米畴（平均尺寸低于10 nm），其中菱形相纳米畴在微米区域内保持相同的自发磁化方向。这种两相共存的纳米畴是材料在低驱动场下产生大磁致伸缩的结构根源，证明铁磁MPB在畴结构上也与铁电MPB具有高度的物理相似性。
　　基于MPB理论设计了窄滞后和高磁致伸缩系数的Tb0.26Dy0.54Ho0.20Fe2合金，并制备出高度取向的高性能材料。在Tb0.3Dy0.7Fe2合金基础上，添加Ho使MPB温度提高至266K，进一步降低了室温时的磁致伸缩滞后。采用高温度梯度区熔定向凝固技术制备了<110>取向多晶材料，对取向材料进行磁场热处理，通过引入单轴各向异性进一步提高了磁致伸缩性能。与热退磁态试样相比，MPB温度提高至269 K;无预应力下的饱和磁致伸缩系数显著提高，由700ppm提高至875ppm;并仍保持明显的磁致伸缩“跳跃”效应，当预压应力为30 MPa时，热退磁态的饱和磁致伸缩为1204 ppm，磁场退火态饱和磁致伸缩增大至1508ppm。磁滞回线的测量表明，磁场退火使得回线面积变大，说明磁场退火引入了感生各向异性，因而磁矩由等价的自发磁化排列状态趋于沿某些特定的易磁化方向排列，有利于促进磁化过程中（尤其是低场下）磁矩的90°旋转，从而显著提高磁致伸缩性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．1．1 磁致伸缩

1．1．2 磁致伸缩材料

1．1．3 磁致伸缩材料的应用

1．2 稀土巨磁致伸缩材料中的准同型相界

1．2．1 准同型相界(MPB)

1．2．2 磁性准同型相界

1．2．3 Tb-Dy-Fe体系的MPB

1．2．4 基于MPB设计的TbDyFe体系

1．3 本文研究意义及主要内容

第二章 实验方法

2．1 技术路线

2．2 样品制备

2．2．1 配料

2．2．2 取向晶体制备

2．3 磁场退火处理

2．4 结构和性能测试

2．4．1 晶体结构分析

2．4．2 微观组织观察

2．4．3 磁畴形貌观寨

2．4．4 磁性转变温度测量

2．4．5 基本磁性能测量

2．4．6 磁致伸缩测量

第三章 Tb0．3Dy0．7Fe2合金准同型相界附近的局域畴结构

3．1 引言

3．2 实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 MPB温度的测定

3．3．2 MPB附近的相组成

3．3．3 MPB附近的磁致伸缩

3．3．4 MPB附近的局域畴结构

3．4 本章小结

第四章 TbDyHoFe合金的准同型相界与磁致伸缩

4．1 引言

4．2 实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 相结构

4．3．2 磁性

4．3．3 磁场热处理对磁致伸缩性能的影响

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果