[发明专利]一种磁致伸缩材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁致伸缩材料及其制备方法。

背景技术

铁磁性及亚铁磁性物质在磁化状态发生改变时，其自身的长度及体积发生微小的变化，这种现象叫做磁致伸缩。其中体积的变化称为体积磁致伸缩；长度的变化称为线磁致伸缩。实用的磁致伸缩材料即是指具有线磁致伸缩特性的材料。磁致伸缩的大小用磁致伸缩系数λ表示，λ＝ΔL/L(L为材料原始长度，ΔL为磁化状态改变时材料长度所发生的变化)。材料在被磁化时所产生的最大磁致伸缩系数，称为饱和磁致伸缩系数λ_s。通常，用(3/2)λ_s作为材料的磁致伸缩的性能表征参数。(3/2)λ_s的数值可由公式(3/2)λ_s＝λ_//-λ_⊥计算得来，其中λ_//是指沿磁场平行于测量方向所测得的饱和磁致伸缩系数；λ_⊥是指沿磁场垂直于测量方向所测得的饱和磁致伸缩系数。

磁致伸缩材料作为一类换能材料，自20世纪40-50年代开始应用于换能技术领域，因为发生磁致伸缩时，磁致伸缩材料可以产生很大的力，响应时间也很短。后来，磁致伸缩材料也应用于驱动、传感等技术领域。由于磁致伸缩材料在作为换能材料使用时，其能量的转换与磁致伸缩系数的平方成比例关系，研究者很关心如何提高材料的磁致伸缩系数，并研究开发新的、具有大的磁致伸缩系数的材料。

传统的磁致伸缩材料是纯Ni、Ni基合金、Fe基合金以及铁氧体材料。多晶纯Ni的磁致伸缩系数在35ppm～40ppm(1ppm＝10^-6)；实用的Ni基合金和Fe基合金的磁致伸缩系数均低于100ppm；铁氧体的磁致伸缩系数通常在10ppm～50ppm之间。

20世纪80年代，美国Clark等人发明了一种以稀土金属和Fe为主要成份的磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材料(giant magnetostrictivematerials)。稀土超磁致伸缩材料具有很高的磁致伸缩系数。单晶稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数高达2000ppm；在80kA/m的磁场及一定的预压应力下，多晶稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数可以达到1000-1500ppm。因为多晶稀土超磁致伸缩材料所具有的大应变量、低杨氏模量的特性，该材料在水声换能领域得到了很好的应用。但多晶稀土超磁致伸缩材料的主相是Laves相金属间化合物，具有本征脆性，其环境适应性较差，因而限制了它在很多场合下的使用；并且该材料的电导率很高，在较高频率下使用时，会因涡流损耗而严重影响其能量输出或位移输出。

2000年美国的S.Guruswamy等人报道了一种由Fe和Ga组成的二元合金(S.Guruswamy，et atl.Strong，dutile，and low-field-magnetostrictivealloys based on Fe-Ga.Scripta Mater.2000，43：p239-244)，即Fe-Ga合金。Fe-Ga合金的λ值比传统的磁致伸缩材料高至少一倍以上，强度与磁导率比超磁致伸缩材料高很多，是一种新型的磁致伸缩材料。

虽然Fe-Ga合金比超磁致伸缩材料的磁致伸缩低很多，但比传统磁致伸缩材料的磁致伸缩系数高很多，并且克服了超磁致伸缩材料在强度、导磁率等方面的缺点，在换能、驱动、传感等领域都具有良好的应用前景。但由于该材料的电阻率很低，在高频下使用会产生涡流损耗。

因此，人们探索将其制作成薄片材料，以降低使用状态下的涡流损耗。

2003年，美国R.A.Kellogg等对Fe₈₃Ga₁₇合金进行了热轧+温轧+回复再结晶热处理，获得了(3/2)λ_s约170ppm的饱和磁致伸缩系数(R.A.Kellogg，A.B.Flatau，et al.Texure and grain morphology dependedcies ofsaturation magnetostriction in rolled polycrystalline Fe₈₃Ga₁₇.J.AppliedPhysics.2003，Vol.93，No.10：p8495-8497)。