輕稀土磁致伸縮材料的物性及準(zhǔn)同型相界的磁彈機(jī)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(yīng)特性，而被廣泛地應(yīng)用于聲吶、雷達(dá)、傳感器等國防軍事領(lǐng)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(yīng)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(yīng)

2、的物理機(jī)制是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。
　　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(bǔ)償和晶粒尺寸效應(yīng)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(zhǔn)同型相界附近的磁疇微結(jié)構(gòu)和磁致伸縮機(jī)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(bǔ)償材料Pr0.5Nd0.5(Fe1-xCox)1.9微結(jié)構(gòu)、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(bǔ)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(jié)構(gòu)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(bǔ)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(qiáng)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(gòu)建了輕稀土Pr/Nd基立方Laves相化合物的自旋結(jié)構(gòu)相圖，為后續(xù)的工作提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　2.多元TbxDyyNdz(Fe0.9Co0.1)1.9

5、3合金結(jié)構(gòu)、磁性和磁致伸縮優(yōu)化的研究
　　我們通過調(diào)節(jié)TbxDyyFe1.93補(bǔ)償系統(tǒng)和輕稀土基TbxNdzFe1.93補(bǔ)償系統(tǒng)，并引入適量的Co替換Fe，實(shí)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(bǔ)償。通過分析精細(xì)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(gòu)建了TbxDyyNdz(Fe0.9 Co0.1)1.93合金體系的自旋結(jié)構(gòu)相圖，為多元合金各向異性補(bǔ)償?shù)难芯刻峁┝藢?shí)驗(yàn)依據(jù)。補(bǔ)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(dá)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(dá)到945ppm，這遠(yuǎn)高于Ho摻雜的多成分補(bǔ)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(qiáng)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(qiáng)，我們獲得了不同相構(gòu)成、不同晶粒尺寸的大塊納米晶材料，并對其結(jié)構(gòu)、磁性和磁致伸縮性能進(jìn)行了具體分析。結(jié)晶動力學(xué)分析表明，小原子B的加入可以加強(qiáng)前驅(qū)體的非晶化程度，Cu、Zr、Nb等形核中心的加入可以增加結(jié)核率并抑制晶粒的過度長大。晶粒尺寸隨著壓強(qiáng)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　4.Tb1-xDyxFe2系列合金鐵磁準(zhǔn)同型相界附近的疇結(jié)構(gòu)和磁彈機(jī)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(zhǔn)同型相界(MPB)附近的磁疇微結(jié)構(gòu)和磁致伸縮增強(qiáng)的機(jī)制。我們提

10、出了一種橋接疇機(jī)理對實(shí)驗(yàn)上觀測到的兩相共存現(xiàn)象進(jìn)行了解釋，并給出了橋接疇結(jié)構(gòu)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(yuǎn)離外場方向的菱方相向外場方向翻轉(zhuǎn)提供了低的能量路徑。該結(jié)果為MPB附近低場大磁致伸縮響應(yīng)提供了詳細(xì)的疇翻轉(zhuǎn)機(jī)制。對比了鐵電和鐵磁兩類鐵性智能材料在MPB處類似疇結(jié)構(gòu)形成和演化的特征能量項(xiàng)，指出這兩類系統(tǒng)在MPB處從序參量、疇結(jié)構(gòu)到宏觀性能響應(yīng)的高度物理相似性。該工作給出了鐵磁準(zhǔn)同型相界附近具體的疇結(jié)構(gòu)演化和