一种基于准同型相界的新型多晶磁致伸缩材料及制备方法与流程

本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种基于准同型相界的新型多晶磁致伸缩材料及制备方法。

背景技术：

磁致伸缩材料是一种铁磁性物质，在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其尺寸又恢复到原来的长度。这种材料广泛应用于微位移驱动器、机器人、超精密机械加工、各种精密仪器、自动刹车系统、燃料/注入喷射系统、超声医疗技术、大功率换能器、声呐系统等电子、汽车、航空等领域。

准同型相界（Morphotropic Phase Boundary， MPB）是铁电相图中，存在的一种分隔两种晶体构型相近、但分别属于不同对称性晶相的边界。它们具有共同的高温母相结构，两边相的晶体结构只有细微差别，最早是在PZT（PbZrO3-PbTiO3）压电材料中发现。借用准同型相界制备高性能压电材料的原理，来开发FeGa-RE系磁致伸缩材料，将压电和铁磁的理论结合起来，有非常大的理论指导意义。

文献（S.Yang，Phys. Rev. Lett.，2010）设计了一种TbCo2-DyCo2铁磁合金，具有磁性准同型相界结构，自旋取向以<111>方向为易磁化轴的菱形（三方）相，转向以<001>方向为易磁化轴的四方相，在此成分处，合金出现两相共存，从而得到较大的磁致伸缩系数。但在FeGa合金中，利用轻稀土元素，来设计这种磁性准同型相界结构，提高这类材料的磁致伸缩性能，是一个全新的磁性材料设计体系，也是目前进一步开发FeGa磁致伸缩材料的一个新方向。

公开号为CN 101086912 A的中国专利公布了一种FeGa-RE系磁致伸缩材料及其制造工艺。该配方Ga的含量10~40at%，RE为La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy，含量为0.01~20at%。其制备工艺的核心是晶体定向凝固生长，得到<100>和<110>的择优取向多晶体。

公开号为CN 103556045 A的中国专利公布了一种基于FeGa-RFe2磁晶各向异性补偿原理设计的新型磁致伸缩材料及其制备方法。该磁致伸缩材料成分为(Fe_100-xGa_x)_Y(RFe₂)_Z，Y：Z=1~20，RFe₂为TbFe₂、SmFe₂、DyFe₂、HoFe₂、ErFe₂、TmFe₂。该方法的设计思想是将含重稀土的超磁致伸缩材料与FeGa合金进行组合，利用磁晶各向异性补偿原理，来实现磁致伸缩性能的改善。

公开号为CN 104947194 A的专利公布了一种磁致伸缩材料及其制备方法。该磁致伸缩材料成分为(Fe_1-xGa_x)_100-yRE_y，稀土含量0.01≤y≤0.2，选自Tb、La、Sm、Dy、Lu、Ho、Er和Tm。其核心是通过加入微量的稀土元素，主要是重稀土元素，制成母合金和进行<100>取向的定向凝固，得到的结构是微量稀土元素完全固溶到FeGa基体，来改善FeGa合金的晶体结构，提高合金的磁致伸缩性能。

目前，具有代表性的、可实际使用的磁致伸缩材料是含昂贵稀土元素的Terfenol-D稀土超磁致伸缩材料，磁致伸缩系数可达1500ppm以上，但价格昂贵，材料脆，机械加工性能差，需很大的驱动磁场。FeGa 合金是继传统磁致伸缩材料( Ni，Fe-Al等) 和稀土超磁致伸缩材料之后出现的一种新型磁致伸缩材料。这种新型FeGa磁致伸缩材料，不含贵重的稀土元素，具有低饱和磁化场、较大的磁致伸缩系数、良好的加工性能以及低成本等综合优势。但目前实际制备的FeGa合金磁致伸缩系数很低，还不足Terfenol-D合金的1/3，要达到其使用要求，必须想办法进一步提高其磁致伸缩系数。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于准同型相界的新型多晶磁致伸缩材料及制备方法，依据磁性准同型相界设计原理，对REFe-GaFe赝二元体系进行设计，寻找具有三方和四方体系的相结构，得到该体系共存的一种临界状态，在该体系状态下，较低的外加磁场便可使两个不同晶系的磁畴转动，从而获得较大的磁致伸缩系数。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于准同型相界的新型多晶磁致伸缩材料，所述新型多晶磁致伸缩材料的分子式为（Fe_7.79Ga_2.21）_x（R_MFe_N）_100-x，其中，所述x为摩尔百分比含量，50≤x≤80；所述R为Ce、Pr、Nd、Sm中的至少一种；所述M为1或2，在M为1时，N为7，在 M为2时，N为17。

进一步地，所述新型多晶磁致伸缩材料具有赝二元体系R_MFe_N -Fe_7.79Ga_2.21结构，新型多晶磁致伸缩材料的准同型相界赝二元体系图的一侧具有<111>易磁化方向的三方（菱形）晶系结构，另一侧具有<001>易磁化方向的四方晶系结构，在相变温度260-340℃以上，赝二元体系结构具有统一的立方晶系结构。

进一步地，所述新型多晶磁致伸缩材料的磁致伸缩系数不小于140ppm，饱和磁场强度低于3500Oe。

进一步地，所述x的值为70。

上述的基于准同型相界的新型多晶磁致伸缩材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）根据新型多晶磁致伸缩材料的分子式准备相匹配的原材料Fe、Ga、M和N；

（2）将原材料加入反应器中，将反应器抽真空至2~5×10^-2Pa，然后开始升温，充入惰性气体至0.6~0.8个标准大气压，当升温至1300-1400℃时，充入惰性气体至1~1.1个标准大气压进行熔炼，待原材料熔清2~3min，浇注成多晶棒材；

（3）将多晶棒材在1000~1200℃下保温1~1.5h，冷却至700~900℃，保温3~5h，冷却，得到新型多晶磁致伸缩材料。

进一步地，所述惰性气体为氩气。

进一步地，所述氩气浓度不小于99.99%。

进一步地，所述多晶棒材的规格为Φ18×100mm。

进一步地，所述反应器为真空感应熔炼炉。

本发明的有益效果是：

1）本发明新型多晶磁致伸缩材料，在较低磁场下，磁致伸缩系数明显优于多晶FeGa合金，进一步取向处理后，其磁致伸缩系数还将提高。

2）本发明新型多晶磁致伸缩材料使用的原料为轻稀土元素，如Ce，在金属材料熔炼和结晶过程中，本身也会起到净化金属熔液和细化晶粒的作用，有利于改善制得的新型多晶磁致伸缩材料的力学性能。

3）本发明新型多晶磁致伸缩材料使用的原料为轻稀土元素，不涉及价格昂贵的重稀土，使得本发明的用材成本低。

4）本发明的制备方法简单，制备成本低，制得的新型多晶磁致伸缩材料性能优异，对促进磁致伸缩材料的应用和发展具有重要意义。

附图说明

图1为多晶磁致伸缩材料的磁性准同型相界赝二元体系图；

图2为多晶磁致伸缩材料的XRD谱图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例1

成分为(Fe_7.79Ga_2.21)₅₀(CeFe₇)₅₀合金。原材料纯度均高于99.99%，熔炼目标总重量1500g。分别计算Fe、Ga、Ce的原子百分比，换算成重量百分比，三组元重量分别为1107.02g、183.95g、209.03g。为了缩短熔炼时间，减少元素的烧损，原材料特别是纯铁棒，应加工成短棒。

先将真空感应熔炼炉抽真空至3×10^-2Pa，然后通电加热升温，充入99.999%的高纯氩气至0.6个标准大气压，洗炉两次，当温度升至1350℃时，充入氩气至1.05个标准大气压，然后升功率尽快熔炼。在炉料熔清2分钟后，浇注成Φ18×100mm的多晶棒材。将多晶棒材在真空烧结炉于1100℃保温1h后，随炉冷却至800℃保温3h，经两阶段热处理后，得到FeGaCe混合体系的多晶磁致伸缩材料。

如图1所示，多晶磁致伸缩材料的磁性准同型相界赝二元体系图，将热处理后多晶磁致伸缩材料表面用砂轮打磨干净，在棒材的两端和中间，分别用线切割切出厚度为0.8mm的圆片，并将圆片表面用金相砂纸打磨，砂纸最细至600#。一片用于XRD的物相检测，检测结果如图2所示，另三片用应变片法测量合金的磁致伸缩系数，然后取两端和中间的平均值作为该组分的磁致伸缩系数值，磁致伸缩系数达到127ppm，饱和磁场强度3300Oe。

实施例2

成分为(Fe_7.79Ga_2.21)₆₀(CeFe₇)₄₀合金。原材料纯度均高于99.99%，熔炼目标总重量1500g。分别计算Fe、Ga、Ce的原子百分比，换算成重量百分比，仅三组元重量分别为1107.40g、223.38g、169.22g。

先将真空感应熔炼炉抽真空至2×10^-2Pa，然后通电加热升温，充入99.999%的高纯氩气至0.7个标准大气压，洗炉两次，当温度升至1300℃时，充入氩气至1.1个标准大气压，然后升功率尽快熔炼。在炉料熔清3分钟后，浇注成Φ18×100mm的多晶棒材。将多晶棒材在真空烧结炉于1000℃保温1.5h后，随炉冷却至700℃保温5h，经两阶段热处理后，得到FeGaCe混合体系的多晶磁致伸缩材料。材料的磁致伸缩材料达到136ppm，饱和磁场强度为3100Oe

实施例3

成分为(Fe_7.79Ga_2.21)₇₀(CeFe₇)₃₀合金。原材料纯度均高于99.99%，熔炼目标总重量1500g。分别计算Fe、Ga、Ce的原子百分比，换算成重量百分比，仅三组元重量分别为1107.79g、263.76g、128.45g。

先将真空感应熔炼炉抽真空至2~5×10^-2Pa，然后通电加热升温，充入99.999%的高纯氩气至0.8个标准大气压，洗炉两次，当温度升至1400℃时，充入氩气至1个标准大气压，然后升功率尽快熔炼。在炉料熔清2.5分钟后，浇注成Φ18×100mm的多晶棒材。将多晶棒材在真空烧结炉于1000℃保温1h后，随炉冷却至900℃保温3h，经两阶段热处理后，得到FeGaCe混合体系的多晶磁致伸缩材料。材料的磁致伸缩材料达到142ppm，饱和磁场强度为3400Oe。

实施例4

成分为(Fe_7.79Ga_2.21)₈₀(CeFe₇)₂₀合金。其配方、熔炼、热处理及测试，均与实施例1一致，仅三组元重量分别为1108.18g、305.13g、86.69g。材料的磁致伸缩材料达到135ppm，饱和磁场强度为3300Oe。

实施例5

成分为(Fe_7.79Ga_2.21)₇₀(Ce₂Fe₁₇)₃₀合金。原材料纯度均高于99.99%，熔炼目标总重量1500g。分别计算Fe、Ga、Ce的原子百分比，换算成重量百分比，三组元重量分别为1147.74g、249.81g、102.45g。为了缩短熔炼时间，减少元素的烧损，原材料特别是纯铁棒，应加工成短棒。

先将真空感应熔炼炉抽真空至2~4×10-2Pa，然后通电加热升温，充入99.999%的高纯氩气至0.7个标准大气压，洗炉两次，温度升至1350℃时，充入氩气至1.1个标准大气压，然后升功率尽快熔炼。在炉料熔清2~3分钟后，浇注成Φ18×100mm的多晶棒材。将多晶棒材在真空烧结炉于1050℃保温1.5h后，随炉冷却至750℃保温3h，经两阶段热处理后，得到FeGaCe混合体系的多晶磁致伸缩材料。

将热处理后试样表面用砂轮打磨干净，在棒材的两端和中间，分别用线切割切出厚度为0.8mm的圆片，并将圆片表面用金相砂纸打磨，砂纸最细至1000#。一片用于XRD的物相检测，另三片用应变片法测量合金的磁致伸缩系数，然后取两端和中间的平均值作为该组分的磁致伸缩系数值，磁致伸缩系数达到134ppm，饱和磁场强度为3000Oe。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。