论文题目宽温域稀土超磁致伸缩合金研究

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1、论文题目：宽温域稀土超磁致伸缩合金研究作者简介：马天宇，男，1978年7月出生，2003年9月师从于北京航空航天大学徐惠彬教授，于2006年12月获博士学位。中文摘要Tb-Dy-Fe合金具有超磁致伸缩性能和大磁-机械耦合系数，是重要的能量转换材料，由于同时具有感知和驱动功能，在工程技术领域有广阔的应用前景，越来越受到人们的广泛关注。成分为Tb0.3Dy0.7Fe2的合金（美国牌号Terfenol-D）在室温时磁晶各向异性最低，是目前应用最广的稀土超磁致伸缩材料，尤其适合低磁场条件下应用。由于受磁晶各向异性补偿和高磁致伸缩温度系数的限

2、制，其超磁致伸缩特性仅能保持在-20~60℃较窄温域，远不能满足航空、航天等大温度变化环境的使用需要。针对这一迫切需求，本文成功研制出新型Tb-Dy-Fe-Co宽温域稀土超磁致伸缩合金，采用区熔定向凝固技术制备出在-80至100℃范围内具有高磁致伸缩性能的<110>和<112>取向晶体，并对其在力－磁耦合场中的应用性能进行了系统研究。具体研究内容及结果如下：（1）基于稀土亚点阵的磁性和过渡金属亚点阵的交换耦合作用对Tb-Dy-Fe合金磁性转变温度的制约关系，设计并制备出在-80~100℃宽温度范围内具有超磁致伸缩特性和低磁致伸缩温度

3、系数的Tb0.36Dy0.64(Fe1-xCox)2（x≤0.20）四元合金。一方面，Tb/Dy比例由0.3/0.7增大到0.36/0.64，磁晶各向异性补偿温度由-20℃降低到-90℃以下，从而将其超磁致伸缩性能拓展至低温范围；另一方面，在此基础上，通过Co元素部分替换Fe将居里温度由380℃提高到430℃以上，不仅有效降低磁致伸缩温度系数，同时部分补偿了由于改变Tb/Dy比例所增大的磁晶各向异性。此外，发现合适Co替换量还有助于形成更多的Laves相，利于提高磁致伸缩性能。本文设计的Tb0.36Dy0.64(Fe0.85Co0.

4、15)2合金在-80~100℃范围内的平均磁致伸缩温度系数仅为1.74ppm/℃，远低于Tb0.3Dy0.7Fe2合金的2.98ppm/℃。（2）成功制备出在-80~100℃宽温域内具有高磁致伸缩性能的Tb0.36Dy0.64(Fe1-xCox)2（x≤0.20）取向材料。由于Tb-Dy-Fe系合金具有强磁致伸缩各向异性，需要采用定向凝固技术制备<110>和<112>取向棒材，沿择优取向方向具有6高磁致伸缩性能，从而实现其实际应用。本文采用高生长速度制备出<110>和<112>取向Tb0.36Dy0.64(Fe1-xCox)2合金棒

5、，在-80~100℃宽温域具有高磁致伸缩性能。这些取向材料具有发达的树枝晶凝固形态，在室温和高温条件下都表现出显著的磁致伸缩“跳跃”效应（即磁致伸缩在预压应力作用下显著增大）。其中，<110>和<112>取向Tb0.36Dy0.64(Fe0.85Co0.15)2合金在400kA/m磁场15MPa预压应力下的室温磁致伸缩分别达到1855和1847ppm，与美国<110>和<112>取向的Terfenol-D材料的性能相当，高、低温段的磁致伸缩性能均有大幅提高。在深入研究合金的相结构和晶体生长机理基础上，通过调整定向凝固工艺控制晶粒择优

6、取向形成过程，成功制备出整体<110>取向一致的高性能合金棒，240kA/m磁场中的磁致伸缩不均匀度小于6%，在-80~100℃宽温域内均显示出良好的磁致伸缩均匀性，满足了航空、航天等大温度变化环境的实际使用需求。（3）首次发现了<110>取向Tb0.36Dy0.64(Fe1-xCox)2晶体的磁-机械阻尼特性在临界磁场出现拐点。Tb0.36Dy0.64(Fe1-xCox)2合金棒在应力加载－卸载过程中，由于发生非180°畴壁不可逆运动从而耗散大量机械能，因此常用于被动阻尼减震。本文采用准静态方法测量不同磁场下的轴向压缩应力－应变回

7、线，分别揭示了磁－机械阻尼系数ΔW/W随最大压应力值（σm）和外磁场强度变化的规律。在零磁场中获得了最大的磁-机械阻尼系数，ΔW/W随磁场强度增加而减小，并在临界磁场下出现与σm大小无关的交点，这主要是因为该临界磁场中非180°畴壁能降至最低，最有利于发生不可逆畴壁移动。在零磁场和低磁场中，ΔW/W随σm的增大而降低，在高磁场中随σm的增大而增加，这主要是因为合金初始磁化状态的改变，使得发生非180°畴壁不可逆移动的临界内应力增大。此外，发现10%Co替换Fe可以提高ΔW/W，这与Co的替换导致磁晶各向异性常数降低有关。（4）从实用

8、化角度，研究了<110>取向Tb0.36Dy0.64(Fe1-xCox)2合金棒在低偏磁场不同预压应力条件下的磁-机械耦合系数k33。k33是衡量磁致伸缩材料磁能和机械能转换效率的参数，是设计磁致伸缩器件的重要参考。本文采用交流阻抗分