輕稀土磁致伸縮材料的物性及準同型相界的磁彈機制研究.pdf

1、RFe2（R=稀土）型巨磁致伸縮合金是一類重要的磁性功能材料。作為巨磁致伸縮材料的代表，Terfenol-D(Tb0.27Dy0.73Fe2)以其優(yōu)異的低場大響應特性，而被廣泛地應用于聲吶、雷達、傳感器等國防軍事領域。但是具有“黑色黃金”之稱的Terfenol-D主要以昂貴的重稀土Tb和Dy為原料，這在一定程度上限制了它的廣泛應用。因此，通過改善制備工藝，開發(fā)出價格低廉的輕稀土Pr/Nd基巨磁致伸縮材料，并探究巨磁致伸縮材料優(yōu)異磁彈響應

2、的物理機制是當前研究的重點。
　　本論文采用高壓退火的方法，克服了輕稀土Pr/Nd基化合物不能形成單一立方Laves相的困難，制備了一系列輕稀土Pr/Nd基巨磁致伸縮材料，并研究了過渡金屬替換，多元合金補償和晶粒尺寸效應對材料性能的影響。此外，我們還采用唯象近似和相場方法對鐵磁準同型相界附近的磁疇微結構和磁致伸縮機制展開了研究。主要研究成果分以下四個方面：
　　1.過渡金屬Co摻雜對單輕稀土基Nd(Fe1-xCox)1.9和

3、雙輕稀土補償材料Pr0.5Nd0.5(Fe1-xCox)1.9微結構、磁性和磁致伸縮的影響研究
　　我們采用高溫高壓退火的方法成功合成了單一輕稀土Nd基Nd(Fe1-xCox)1.9(0≤x≤0.4)合金和雙輕稀土各向異性補償系統(tǒng)Pr0.5Nd0.5(Fe1-xCox)1.9(0≤x≤0.4)系列合金。研究發(fā)現(xiàn)對于傳統(tǒng)的常壓退火方法，只有Co摻雜量大于40％時，立方Laves相才會成為主相；相反，高壓退火可以保證所有的成分均為立方

4、Laves相。晶體結構分析表明，Co替換Fe會降低RFe2合金的晶格常數(shù)。無論對于單一輕稀土還是各向異性補償系統(tǒng)，少量的Co摻雜都可以增加材料的居里溫度和飽和磁化強度。此外，少量的Co摻雜會增加輕稀土Pr/Nd基立方Laves相化合物的自旋再取向溫度并改善材料的磁致伸縮性能。最后，構建了輕稀土Pr/Nd基立方Laves相化合物的自旋結構相圖，為后續(xù)的工作提供了實驗依據(jù)。
　　2.多元TbxDyyNdz(Fe0.9Co0.1)1.9

5、3合金結構、磁性和磁致伸縮優(yōu)化的研究
　　我們通過調節(jié)TbxDyyFe1.93補償系統(tǒng)和輕稀土基TbxNdzFe1.93補償系統(tǒng)，并引入適量的Co替換Fe，實現(xiàn)了多元TbxDyyNdz(Fe0.9Co0.1)1.93(z=1-x-y)合金體系的低Tb含量各向異性再補償。通過分析精細掃描X射線衍射，交流初始磁化率，磁致伸縮以及各向異性常數(shù)的分析，我們發(fā)現(xiàn)Tb0.253Dy0.657Nd0.09(Fe0.9 Co0.1)1.93具有最

6、低的各向異性。此外，我們還構建了TbxDyyNdz(Fe0.9 Co0.1)1.93合金體系的自旋結構相圖，為多元合金各向異性補償?shù)难芯刻峁┝藢嶒炓罁?jù)。補償合金Tb0.253Dy0.657Nd0.09(Fe0.9 Co0.1)1.93在1kOe外加磁場下的磁致伸縮值達197ppm，比Co摻雜的樣品在同樣磁場的磁致伸縮（62ppm）的兩倍還多。此外其飽和磁致伸縮值達到945ppm，這遠高于Ho摻雜的多成分補償系統(tǒng)單晶Tb0.2Dy0.22

7、Ho0.58Fe2(λs=530ppm)，甚至可以和高Tb含量的純重稀土基Tb0.3Dy0.7(Fe0.8Co0.2)2(λs=980ppm)的飽和磁致伸縮相比擬。這同時也表明合適比例的輕稀土Nd替代重稀土Tb和Dy是降低材料各向異性和增強磁致伸縮性能的有效方法。
　　3.輕稀土Pr/Nd基巨磁致伸縮大塊納米晶材料的合成及其物性研究
　　我們通過高壓退火非晶條帶的方法，獲得了一系列輕稀土Pr/Nd基大塊納米晶巨磁致伸縮材料，

8、并有效改善了輕稀土Pr/Nd基RFe2型合金的磁致伸縮性能。通過控制材料的成分、退火溫度和壓強，我們獲得了不同相構成、不同晶粒尺寸的大塊納米晶材料，并對其結構、磁性和磁致伸縮性能進行了具體分析。結晶動力學分析表明，小原子B的加入可以加強前驅體的非晶化程度，Cu、Zr、Nb等形核中心的加入可以增加結核率并抑制晶粒的過度長大。晶粒尺寸隨著壓強的增加而減小，隨著溫度的增加而增大；立方Laves相的比例隨著壓強的增加先增加后減少，隨著溫度的增加

9、而增加。高性能大塊納米晶材料的磁致伸縮由晶粒尺寸和立方Laves相所占的比例來決定。本工作為新型巨磁致伸縮材料尤其是輕稀土Pr/Nd基RFe2型化合物的研發(fā)提供了新的研究思路和重要的的實驗依據(jù)。
　　4.Tb1-xDyxFe2系列合金鐵磁準同型相界附近的疇結構和磁彈機制研究
　　我們采用相場微磁-微彈模型，系統(tǒng)研究了Tb1-xDyxFe2(Terfenol-D)準同型相界(MPB)附近的磁疇微結構和磁致伸縮增強的機制。我們提

10、出了一種橋接疇機理對實驗上觀測到的兩相共存現(xiàn)象進行了解釋，并給出了橋接疇結構形成的能量起源。我們發(fā)現(xiàn)四方相橋接疇作為一種中間態(tài)，為遠離外場方向的菱方相向外場方向翻轉提供了低的能量路徑。該結果為MPB附近低場大磁致伸縮響應提供了詳細的疇翻轉機制。對比了鐵電和鐵磁兩類鐵性智能材料在MPB處類似疇結構形成和演化的特征能量項，指出這兩類系統(tǒng)在MPB處從序參量、疇結構到宏觀性能響應的高度物理相似性。該工作給出了鐵磁準同型相界附近具體的疇結構演化和