新型磁致伸缩材料FeGa合金研究进展

作为一种新型的功能材料,FeGa合金磁致伸缩材料以其饱和磁致伸缩系数高、饱和场小、机械性能优良、成本低等优点,在诸多领域具有潜在的应用价值,已成为当前该领域科研工作者的热点研究问题之一。主要介绍了近年来在FeGa合金磁致伸缩材料方面的最新研究进展,重点从制备方法、合金成分及后期热处理等方面阐述了提高FeGa合金磁致伸缩材料性能的方法,最后对目前FeGa合金材料存在的问题和发展趋势进行了分析和展望。

潜力巨大的FeGa合金磁致伸缩材料

经过半个世纪的发展,磁致伸缩材料已在武器装备、医疗、能源等领域实现了应用。但是,传统的稀土超磁致伸缩材料(Terfenol-D)价格高昂,力学性能差,大大地限制了磁致伸缩器件的发展。而新型的二元铁基磁致伸缩材料Fe Ga合金价格低廉,机械性能优良,磁导率高,具有极大的应用潜力。当前,薄膜制备和微系统技术得到长足进步,薄膜化、柔性化磁致伸缩材料和器件逐步成为研究重点,以满足电子信息系统对磁性器件平板化、集成化、高可靠等的要求。

基于ScAlN/FeGa结构的磁电声表面波谐振器

该文研究基于磁致伸缩FeGa合金衬底的磁电声表面波(SAW)谐振器。首先,在FeGa磁致伸缩衬底上溅射沉积了ScAlN压电薄膜,完成了单端口声表面波谐振器的制备;其次,采用X线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等手段对ScAlN薄膜进行结构分析;最后,采用矢量网络分析仪和微波探针台测试S参数和群时延。结果表明,ScAlN薄膜晶粒呈柱状生长且具有高度(002)取向,薄膜表面粗糙度在2.36nm左右;当ScAlN压电薄膜厚为0.7μm,波长为15.74μm时,SAW谐振器的谐振频率为218.75 MHz,相速度为3 443m/s,机电耦合系数为0.06%,与COMSOL仿真计算结果较吻合。

Fe_(72.5)Ga_(27.5)合金的定向凝固工艺与磁致伸缩性能研究

研究了晶体生长过程中的不同参数(温度梯度GL,晶体生长速度V)对Fe72.5Ga27.5合金晶体取向规律的影响。Fe72.5Ga27.5合金经过炉冷、空冷及淬火等热处理后,研究了热处理对<110>取向多晶合金磁致伸缩性能的影响,并通过微观组织分析进行必要的解释。结果表明:样品的性能与温度梯度和生长速度有着密切的关系。取向多晶样品热处理前后组织形貌没有明显变化,淬火后<110>轴向取向多晶FeGa样品的性能明显提高。

微量B元素添加对Fe_(81)Ga_(19)合金磁致伸缩性能的影响

采用真空熔炼法制备(Fe_(81)Ga_(19))1-xBx(x=0,0.06,0.10,0.15,0.20)系列铸态合金,通过X射线衍射、扫描电镜及配套的能量色散谱、金相显微镜表征合金的微观结构、形貌及成分,利用电阻应变片法测量合金的磁致伸缩性能。结果表明,微量的B元素添加提高了合金的磁致伸缩性能,在x=0.10时达到最大饱和磁致伸缩值λs=138×10^(-6)。(Fe_(81)Ga_(19))1-xBx合金结构以α-Fe体心立方为主。B元素的添加,一部分进入晶格间隙,引起晶格畸变,提高合金磁致伸缩性能,另一部分以富B析出相的形式分布在晶粒内部;合金添加B元素后,晶粒变为对磁致伸缩性能有利的大柱状晶,大柱状晶由于晶界少,减少阻碍磁畴运动的因素,有利于合金的磁致伸缩性能。

Fe_(83)Ga_(17)合金的显微结构及磁致伸缩性能

为了提高Fe_(83)Ga_(17)合金的磁致伸缩性能,对铸态合金进行1100℃×1 h的均匀化处理后,再分别进行650、700、750、800和850℃×3 h退火处理。通过物相、显微组织、DSC、硬度及磁致伸缩性能分析,结果表明,Ga原子固溶进Fe晶格后,晶格常数增大;经过热处理后,晶粒内的亚晶界消失,并析出了大量的富Ga相,硬度下降;在退火温度为800℃时,<100>方向的晶粒数目增多,磁致伸缩系数达到95×10^(-6),是铸态下的3.8倍。均匀化及退火处理对Fe_(83)Ga_(17)合金的磁致伸缩性能有明显提升。

压应力对Fe_(0.81)Ga_(0.19)单晶磁化和磁致伸缩的影响

研究了Fe0.81Ga0.19合金单晶沿[100]方向的磁机械效应和磁致伸缩效应.基于Stoner-Wohlfarth模型,通过数值计算获得了在压应力和外磁场联合作用下磁化强度的方向余弦.研究表明,随着压应力的增加,退磁态下合金中的磁各向异性会由三轴各向异性向双轴各向异性转变.这使得合金中90°畴的体积分数增加,导致磁致伸缩效应增大.