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单一稀土与铁形成的立方Laves相合金室温下具有很高的磁致伸缩系数(如TbFe2),但其磁晶各向异性大,需要高的外加磁场才能获得大的伸缩系数。而在实际应用中往往只能提供几十或几百Oe的磁场,因此这种单一的稀土与铁形成的合金没有实际应用价值。用两种磁致伸缩符号相同、磁晶各向异性常数符号相反的稀土元素与铁形成赝二元化合物,可能得到既具有大的磁致伸缩系数,又具有低的磁晶各向异性的材料。1974年Clark等成功合成了具有低各向异性场的Tb0.27Dy0.73Fe2赝二元合金,为稀土超磁致伸缩材料的应用奠定了基础。现在Terfenol-D(Tb0.27Dy0.73Fe2)已经被广泛应用于声纳、传感器等领域。但是由于Terfenol-D采用了较贵重的重稀土材料Tb、Dy,而且材料制备工艺复杂,所以其商品价格昂贵,有“黑色黄金”之称,限制了这种材料的广泛应用。单离子模型计算结果显示,PrFe2和NdFe2在绝对温度0 K时都具有较大的理论磁致伸缩值。因此,有必要探索以廉价的轻稀土Pr、Nd为基的合金,发展新的成分各向异性补偿的稀土磁致伸缩材料。本文采用高压退火的办法成功制备了一系列轻稀土Pr,Nd基磁致伸缩材料,主要分为以下三个方面的内容：
⑴PrFex和PrxTb1-xFe1.9合金的高压合成及磁致伸缩性能的研究。采用熔炼加后续高压退火的方法成功制备了PrFex和各向异性补偿系列PrxTb1-xFe1.9(0≤x≤1)合金。所有样品均为单一的立方Laves相结构。高压退火方法成功解决了高Pr含量立方Laves相常压下不能合成的难题。对于PrFex合金,当x＞1.9时,发现PrFe1.9立方Laves相和α-Fe共存,这为PrFe1.9/α-Fe磁致伸缩纳米复合体系提供了依据。PrxTb1-xFe2(0≤x≤1)的各向异性补偿点在x=0.1附近实现。结果表明Pr0.9Tb0.1Fe1.9合金的磁致伸缩性能可以和商品化的Terfenol-D(Tb0.27Dy0.73Fe2)的多晶相比较。但是Pr0.9Tb0.1Fe1.9合金中的稀土主要由便宜的Pr组成,所以成本要比Tb0.27Dy0.73Fe2要便宜。
⑵TbxNd1-xFe1.9立方Laves相的各向异性补偿及磁致伸缩性能的研究。采用高压合成的方法成功制备了TbxNd1-xFe1.9(0≤x≤0.8)系列立方Laves相合金。我们首次证实了TbxNd1-xFe1.9是一个成份各向异性补偿系统。通过穆斯堡尔谱,磁化强度,磁致伸缩的研究我们证实了各向异性补偿点是在x=0.1附近。小的磁晶各向异性和大的低场磁致伸缩性能使得高Nd含量Tb0.1Nd0.9Fe1.9合金具有一定的潜在应用。该研究提供了一种制备高Nd含量磁致伸缩材料的方法。通过对NdFe2各向异性常数的估算,我们预测SmxNd1-xFe2和ErxNd1-xFe2都可能是各向异性成份补偿系统。
⑶过渡金属Co、Mn的掺杂对REFe2各向异性和磁致伸缩性能的影响。研究了过渡金属Co、Mn对高Pr含量立方Laves相合金的结构、磁性能和磁致伸缩性能的影响。研究发现随Co含量的变化各向异性补偿能够在只有单一稀土原子Pr的Pr(Fe1-xCox)1.9合金中实现。我们认为这一发现应该也适应于其他REFe2体系,只要REFe2和RET2(T=过渡金属)有着不同易磁化方向并且易磁化方向的转变能够在室温附近发生。另外,研究发现少量Mn对PrFe1.9中Fe的替换可以降低PrFe1.9的各向异性。我们采用高压退火的方法制备了TbxPr1-x(Fe0.8Co0.2)1.9(0≤x≤0.4)系列磁致伸缩合金,并且发现该系列的各向异性补偿点在x=0.05点实现。与TbxPr1-x(Fe0.4Co0.6)1.9系列合金的各向异性补偿点x=0.2相比,各向异性补偿点在Tb含量较低的成份点出现。