简介概要

不同Tb/Dy比例对稀土磁致伸缩材料性能的影响

来源期刊：稀有金属2009年第5期

论文作者：李扩社李勇胜杨红川张世荣杨二祥于敦波

关键词：磁致伸缩; 磁滞回线; 自旋再取向; 跳跃效应;

摘要：研究了不同Th/Dy比例对(TbxDy1-x)Fe1.95(x=0.30,0.32,0.34和0.35)合金的矫顽力、自旋再取向温度以及变温和加压磁致伸缩性能等的影响.结果表明,随着x值的增大,合金的矫顽力增大,自旋再取向温度降低.x为0.34时,合金的磁致伸缩温度系数较小,更适用于低温且工作温度变化大的环境.随着x值的增大,当施加压应力时,合金的磁致伸缩系数λ有明显的"跳跃效应",低场下尤为突出.

稀有金属 2009,33(05),691-695

不同Tb/Dy比例对稀土磁致伸缩材料性能的影响

张世荣杨红川于敦波李扩社李勇胜

北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心,有研稀土新材料股份有限公司

摘要：

研究了不同Tb/Dy比例对 (TbxDy1-x) Fe1.95 (x=0.30, 0.32, 0.34和0.35) 合金的矫顽力、自旋再取向温度以及变温和加压磁致伸缩性能等的影响。结果表明, 随着x值的增大, 合金的矫顽力增大, 自旋再取向温度降低。x为0.34时, 合金的磁致伸缩温度系数较小, 更适用于低温且工作温度变化大的环境。随着x值的增大, 当施加压应力时, 合金的磁致伸缩系数λ有明显的“跳跃效应”, 低场下尤为突出。

关键词：

磁致伸缩;磁滞回线;自旋再取向;跳跃效应;

中图分类号： TB34

作者简介：张世荣 (E-mail:zsr@grinm.com) ;

收稿日期：2009-01-14

基金：国家自然科学基金项目 (50801006);北京市自然科学基金项目 (2042012, 2062012);国家高技术研究发展计划 (863计划) 项目 (2006AA03Z106) 资助;

Influence of Tb/Dy Ratio on Properties of Rare Earth Magnetostrictive Materials

Abstract：

The influence of Tb/Dy ratio on the coercive force, spinning reorientation temperature, magnetostrictive coefficient under variable temperatures and pre-compressive stress conditions of (TbxDy1-x) Fe1.95 (x=0.30, 0.32, 0.34 and 0.35) was investigated. The results showed that, by increasing the ratio of Tb/Dy, the coercive force of (TbxDy1-x) Fe1.95 increased, while the spinning reorientation temperature Tr decreased. When x was 0.34, the temperature coefficient for this magnetostrictive material was very small, so this material was suitable for application in specific working circumstance of lower and sharply changed temperature. Under pre-compressive stress, the alloy with higher content of Tb performed better jump effect, especially in lower magnetic field.

Keyword：

magnetostriction;magnetic hysteresis loop;spinning reorientation;jump effect;

Received： 2009-01-14

稀土磁致伸缩材料是实现电磁能与机械能二者能量和信息高效转换的功能材料, 具有磁致伸缩应变大、能量密度高、频带宽、换能效率高、响应速度快、可靠性好等优点, 逐步发展成为换能器、精密致动器、智能传感器、磁电复合材料等器件 ^[1] 的核心材料, 是21世纪提高军事与高新技术的一种新型智能材料 ^[2,3] 。由于环境介质、温度等因素的影响, 可大大降低其应用的可靠性和寿命周期。文献 [ 4, 5, 6] 研究了TbDyFe合金的腐蚀机制、断裂行为以及表面渗氮处理。常规TbDyFe稀土磁致伸缩材料的使用温度范围相对较窄 (0～60 ℃) ^[7] , 限制了其在特殊环境下的应用。

随着稀土磁致伸缩材料应用领域的不断扩大, 其在服役过程中所接触的环境也越来越复杂, 本文研究了不同Tb/Dy比例对 (Tb_xDy_1-x) Fe_1.95 (x=0.30, 0.32, 0.34和0.35) 合金的矫顽力、自旋再取向温度以及变温和加压磁致伸缩性能等的影响, 旨在开发具有宽温域特性的稀土磁致伸缩材料, 满足恶劣气候条件和航空航天领域中的应用要求。

1 实验

1.1 样品制备

所用原料为纯度99.9%的金属铽和镝 (Tb/∑RE>99.9%, Dy/∑RE>99.9%) , 以及纯度为99.9%工业用铁, 按设计比例配料。同时考虑到金属Dy的蒸气压较高, 在实验过程中有少量挥发, 按重量过量1%配料, 采用“一步法”定向凝固工艺 ^[8,9] 制备 (Tb_xDy_1-x) Fe_1.95 (x=0.30, 0.32, 0.34和0.35) 合金样品, 然后进行热处理和分析测试。

1.2 测试方法

磁滞回线测量: 采用振动样品磁强计 (VSM) 测量样品的磁滞回线, 确定合金的矫顽力H_c。

自旋再取向温度 (T_r) 测量: 利用MAGLAB-12电磁热多参量测量系统, 交变磁场H_ac为7.96 A·m^-1, 交变频率333 Hz, 磁化噪声2×10^-8 emu。通过测量交流磁化率 (AC susceptibility) 随温度的变化曲线, 可以确定合金的T_r。

变温、加压磁致伸缩性能测量: 采用标准电阻应变片法, 选用JDM-30A型磁致伸缩参数测量仪, 电阻应变仪型号YD-21, 电阻应变计型号BX120-3AA, 电阻值120±0.2 Ω, 灵敏系数2.08±0.1%, 精度等级A级。通过半导体制冷片 (TE) 控制变温, 测试温度范围为-20～90 ℃; 通过气包加压, 预加压应力分别为0, 10 MPa。

2 结果与讨论

2.1 合金矫顽力研究

图1为 (Tb_0.3Dy_0.7) Fe_1.95的磁滞回线及局部放大图。从放大图可明显看出, (Tb_0.3Dy_0.7) Fe_1.95合金的矫顽力为1.03 kA·m^-1。图2为 (Tb_xDy_1-x) Fe_1.95 (x=0.32, 0.34, 0.35) 的磁滞回线。 (Tb_xDy_1-x) Fe_1.95 (x=0.30, 0.32, 0.34, 0.35) 合金的矫顽力见表1。

由图1, 2可见, (Tb_xDy_1-x) Fe_1.95合金的磁滞较小, 形成了“瘦长”的闭合回线, 呈现典型的软磁特性。对于软磁材料, 其矫顽力H_c与不可逆畴壁的移动密切相关, H_c越大, 表明畴壁受钉扎程度越高, 磁畴移动越困难。结果表明, (Tb_xDy_1-x) Fe_1.95 (x=0.30, 0.32, 0.34, 0.35) 合金的矫顽力H_c随x值的增加而增大, 说明反磁化过程中的滞后会随之增大。

表1 (TbxDy1-xFe1.95) 合金的矫顽力与x值的关系

Table 1 Relationship between H_cof (Tb_xDy_1-xFe_1.95) and x

x	0.30	0.32	0.34	0.35
H_c/ (kA·m^-1)	1.03	1.75	2.98	3.98

2.2 自旋再取向温度Tr的研究

测量交流磁化率 (AC susceptibility) 随温度的变化曲线可以确定合金的自旋再取向温度T_r。在交变磁场作用下, 相对磁化率随温度的变化曲线上出现极值点, 表明易磁化方向有所偏转, 此极值点对应的温度点即为样品的自旋再取向温度T_r。

理论上当 (Tb_xDy_1-x) Fe_1.95合金中的x=0.27时, 具有最小的室温磁晶各向异性, 此时在磁晶各向异性最小的临界温度T_r发生易磁化方向的转变, 此温度被称为磁晶各向异性补偿温度, 又称自旋再取向温度 ^[10] 。图3为 (Tb_xDy_1-x) Fe_1.95 (x=0.3, 0.32, 0.34, 0.35) 合金的交流磁化率曲线, 由此图可看出, 随着x的增大, 合金自旋再取向温度T_r急剧下降, 当x=0.3时T_r为0 ℃, x=0.35时T_r降至-50 ℃。因此, T_r随Tb/Dy比例的不同而显著改变。 Clark等 ^[11] 研究发现, 材料在临界温度T_r具有最大的磁致伸缩。当T>T_r时, 磁致伸缩系数λ随温度的升高而降低; 当T<T_r时, λ随温度的升高而增加。由于TbFe₂和DyFe₂具有不同的易磁化方向, Tb/Dy比例的增大, 使得磁晶各向异性偏离补偿成分, 造成整体负的磁晶各向异性增加, 材料低温特性较好。

2.3 变温磁致伸缩性能的研究

图4为 (Tb_xDy_1-x) Fe_1.95合金在不同温度下的磁致伸缩性能曲线。由图4 (a) 看出, -20～0 ℃范围内, Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.95的磁致伸缩系数λ呈上升趋势, 在0 ℃达到最大, 0～90 ℃的范围内呈下降趋势。观察图4 (b) , (c) , (d) , 在-20～90 ℃范围内, 合金磁致伸缩系数λ逐渐下降。

图3 (TbxDy1-x) Fe1.95合金的交流磁化曲线

Fig.3 AC magnetization curves of (Tb_xDy_1-x) Fe_1.95 alloys

(1) x=0.30; (2) x=0.32; (3) x=0.34; (4) x=0.35

图4 不同温度下 (TbxDy1-x) Fe1.95合金的磁致伸缩性能

Fig.4 Magnetostriction of (Tb_xDy_1-x) Fe_1.95 alloys at different temperatures

(a) x=0.30; (b) x=0.32; (c) x=0.34; (d) x=0.35

图5为 (Tb_xDy_1-x) Fe_1.95 (x=0.30, 0.32, 0.34, 0.35) 合金在无压应力、 160 kA·m^-1磁场中的磁致伸缩系数随温度变化的曲线。由图5渐伸缩DAs计算得到, Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.95在-20～0 ℃范围内的磁致伸缩温度系数为-2.5×10^-6/℃, 0～90 ℃范围内为-2.06×10^-6/℃; 其余3个成分的合金在-20～90 ℃磁致伸缩温度系数分别为-1.55×10^-6/℃ (x=0.32) , -1.29×10^-6/℃ (x=0.34) , -1.53×10^-6/℃ (x=0.35) 。由此可见, (Tb_0.34Dy_0.68) Fe_1.95合金的温度稳定性最好, 更适用于低温且工作温度变化大的特殊环境在恶劣气候条件和太空中有一定应用前景, 这是低Tb含量的稀土磁致伸缩材料所无法满足的。

2.4 加压磁致伸缩性能的研究

图6给出了不同Tb/Dy比例的样品分别在0和10 MPa预应力下的λ值随磁场变化的曲线。由图发现, Tb/Dy比例对样品性能影响较大。对于 (Tb_xDy_1-x) Fe_z合金来说, 在本实验条件下, 由于z在1.95附近以及其他微量杂质的影响, Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.95合金高场和低场下的λ值均为最大, 说明x=0.3时的磁晶各向异性场最低, 偏离此值的材料性能均要有所下降。 Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.95合金低场性能的跳跃效应较差, 而高场性能受压应力影响非常明显, 比如240 kA·m^-1磁场下, 施加10 MPa预应力的λ达到1780×10^-6, 比无压应力的1180×10^-6增长50%左右。

图5 (TbxDy1-x) Fe1.95合金磁致伸缩系数与温度的关系

Fig.5 Relationship between magnetostriction of (Tb_xDy_1-x) Fe_1.95 alloy and temperature

根据图6的结果, 绘制了4种Tb/Dy 比例的样品分别在60, 240 kA·m^-1磁场作用下λ值的变化情况, 见图7。从图可以更加直观的看出, 当x值偏离0.3时, λ值均有不同程度的下降, 偏离值越大, 磁晶各向异性场越高, 晶体越难以磁化, 性能也越差。当x为0.32, 0.34和0.35时, 在240 kA·m^-1磁场的作用下, λ分别为1045×10^-6, 755×10^-6和620×10^-6, 下降较快。实验发现, 随着x值的增大, 当施加压应力时, λ值“跳跃效应” ^[9] 很明显, 低场尤为突出。这是因为: x值越大, 合金负的磁晶各向异性常数也越大, 预应力改变了合金的初始磁化状态, 使原本随机排列的磁畴的磁矩趋向垂直于应力方向, 在变化磁场的作用下<111>方向的磁畴产生跳跃, 使得λ值发生跃升。比如, x=0.34, 0.35时, 施加10 MPa预应力, 60 kA·m^-1磁场下的λ值分别提高了2.8倍和3.6倍。