复合结构Fe-Ga合金的多功能特性研究

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在纯Fe中掺入非磁性元素Ga形成的Fe-Ga固溶体具有远大于纯Fe的磁致伸缩性能、比传统脆性的稀土金属间化合物更低的驱动场和更好的延展性,因此作为一种新型磁致伸缩材料得到了高度重视。Fe-Ga合金具有复杂的二元相图和多种相结构,不同相之间的内稟磁性和磁致伸缩性能差别很大。依照复合材料的设计思路,利用各相在性能上互相取长补短,可使材料整体展现出独特新颖的物理性能。本文利用Fe-Ga合金中动力学缓慢的BCC→FCC扩散型相变,通过调控热处理制度,成功制备出BCC+FCC复合结构Fe-Ga材料,获得了高热稳定性的磁性能和磁致伸缩性能及抗高应力的软磁特性,拓展了 Fe-Ga合金的功能范围,为发展多功能铁磁智能材料提供了新方法。主要结果如下:发现复合结构Fe-Ga合金在升温过程中弱磁性BCC相向强磁性FCC相逐渐转变,从而抑制热退磁效应,有望成为研制高热稳定性高温磁性材料的新方法。利用Fe-Ga合金中的BCC→FCC扩散型相变,通过等温时效热处理手段,制备出BCC+FCC复合结构的Fe73Ga27和Fe74Ga26材料。发现其磁化强度在室温(300K)到880K大温度区间内基本保持不变,具有反常的温度不依赖性;其磁致伸缩性能具有正温度系数,随温度升高略有提升,且多次热循环后性能不衰减。通过原位升温XRD和TEM等手段研究样品升温过程中的结构变化发现,样品在升温过程中不断发生BCC相到FCC相的结构转变,BCC相体积分数减小而FCC体积分数增加。其中,BCC相随温度升高而衰减的磁性被新生成的强磁性FCC相所弥补,所以材料整体上体现出极高的磁化强度和磁致伸缩热稳定性。此工作为复合结构Fe-Ga合金在传感器、驱动器等高温领域的应用提供了可能。同时,本工作也为制备和设计高热稳定的铁磁和磁致伸缩材料提供了一共全新的思路,可依照此概念制备更多具备优良性能的耐高温磁性材料。发现复合结构Fe-Ga合金中负磁致伸缩FCC相与正磁致伸缩BCC相可实现压磁补偿,从而获得不随应力变化的磁导率,为设计抗高应力的软磁材料提供了新思路。研究发现BCC+FCC复合结构的Fe-Ga合金具有磁导率应力不敏感特性,在200 MPa的高预应力下磁导率依旧保持不变。这是由于BCC相与FCC相磁导率受应力的影响完全相反,BCC相在压应力下磁畴易偏转向垂直与磁场方向,磁化变慢;而FCC相在压应力下磁畴易于转向平行磁场方向,磁化变易,两相互抵消补偿,实现了在外加应力下磁导率不变的性能。本工作为发展多功能铁磁智能材料提供了新思路。
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