專利名稱：一種NiMnFeGaAl-RE系磁致伸縮材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種磁致伸縮材料及其制備方法,特別是涉及ー種NiMnFeGaAl-RE系磁致伸縮材料及其制備方法，并涉及使用了該磁致伸縮材料的傳感器和驅(qū)動器。
背景技術(shù)：
鐵磁性材料的磁化狀態(tài)發(fā)生改變時，其形狀和尺寸要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。人們曾想利用Ni合金來制造磁致伸縮器件。但由于它們的磁滯伸縮應(yīng)變量過小，當(dāng)時未能推廣與應(yīng)用。本世紀(jì)的50年代初，人們已發(fā)現(xiàn)Ni-Fe-Co合金的磁致伸縮應(yīng)變可達(dá)至Ij 50ppm(lppm = ICT6)。2000年美國的S. Guruswamy等人報道了ー種由Fe和Ga組成的ニ元合金，即Fe-Ga 合金。Fe-Ga合金具有較高的磁致伸縮系數(shù)(O. 02 O. 03% )，比傳統(tǒng)的磁致伸縮材料高出至少幾倍以上，強(qiáng)度與磁導(dǎo)率比超磁致伸縮材料高很多；此外，由于Fe-Ga合金為金屬固溶體，有較好的延展性和機(jī)械加工性；該合金還具有很好的溫度特性。因此，有關(guān)Fe-Ga基磁致伸縮材料的研究引起了廣泛的關(guān)注。CN101262039A公開了ー種Fe-Ga基磁致伸縮絲，其特征在于材料成分為Fei_x_yGaxMy，M為除Fe以外的過渡族金屬元素及Be、B、Al、In、Si、Ge、Sn、Pb、Bi、N、S、Se 中的ー種或幾種，x = 5 30%,y = O 15%，余量為 Fe ；CN101418415A公開了ー種Fe-Ga基磁致伸縮絲及其制備方法，其特征在于材料成分為Fei_x_y_zGaxAlyMz，M選自 Co、B、Cr、V、Nb、Zr、Be、Y、Ti 等中的ー種或多種，其中 x = O. 10 O. 30，y = O. 01
O.15，z = O. 000 O. 1，余量為Fe ；CN1472370A中公開了ー種具有磁誘導(dǎo)高應(yīng)變和形狀記憶效應(yīng)的磁性單晶，其成為為 Ni5Q+xMn25_yFeyGa25+z 其中-24. 99 < x < 24. 99 ；-24. 99 < y< 24. 99 ；-24. 99 < 2 < 24. 99，該材料通過提拉法獲得。磁致伸縮材料作為ー類智能材料，被廣泛應(yīng)用于換能、驅(qū)動、傳感等技術(shù)領(lǐng)域。利用磁致伸縮材料的威德曼效應(yīng)，將磁致伸縮材料加工成磁致伸縮絲作為液位傳感器、位移傳感器、磁彈性型扭矩傳感器、楊氏模量傳感器等的敏感元件，在質(zhì)量檢驗(yàn)、優(yōu)化控制、エ況檢測和故障診斷等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。在制造傳感器吋，由于現(xiàn)有的磁致伸縮材料本身的磁滯及應(yīng)變隨磁場變化規(guī)律的線性度差，増加了驅(qū)動器與傳感器信號處理的難度，使傳感器和驅(qū)動器的設(shè)計與制造復(fù)雜化。如果有ー種材料其磁致伸縮應(yīng)變與磁場強(qiáng)度在低磁場范圍滿足簡單的函數(shù)關(guān)系，這樣經(jīng)過簡單定標(biāo)之后，就可以在外加磁場強(qiáng)度與材料本身
的磁致伸縮應(yīng)變之間建立--對應(yīng)關(guān)系，可以免去設(shè)計補(bǔ)償電路的麻煩，使傳感器和驅(qū)動
器的設(shè)計與制造簡化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之ー在于提供ー種NiMnFeGaAl-RE系磁致伸縮材料。其特征為，材料成分由Ni、Mn、Fe、Ga、Al和RE元素組成，各元素在合金中的原子數(shù)比Ni Mn Fe Ga Al RE 為 5 20 5 30 40 60 18 25 O. 01 2 其中RE是La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy和Y中的ー種或兩種。
上述的磁致伸縮材料磁致伸縮應(yīng)變(35_150ppm)并沒有提高；但機(jī)械加工性能好；最主要的是磁致伸縮應(yīng)變隨磁場的變化規(guī)律在低場(< 15000e)下可用線性函數(shù)表征，無磁滯。優(yōu)選地，所述RE為Ce，且各元素在合金中的原子數(shù)比Ni Mn Fe Ga Al Ce為10 : 5 : 60 : 20 : 6 : 1，或各元素在合金中的原子數(shù)比Ni Mn Fe Ga Al Ce為10 : 10 : : 60 : 20 : 6 : I。本發(fā)明的另一目的之一在于提供一種制備上述NiMnFeGaAl-RE系磁致伸縮材料的方法。其包括如下工藝步驟(I)按磁致伸縮材料的成分組成準(zhǔn)備原料；(2)將原料加熱熔融進(jìn)行精煉，所述精煉為在氬氣保護(hù)下的水冷銅坩堝非自耗電弧熔煉爐中反復(fù)熔煉4次使之混合均勻，得到的合金澆鑄成圓棒；(3)對合金棒用高溫度梯度快速凝固法進(jìn)行晶體定向生長，得到〈100〉和〈110〉織構(gòu)的取向多晶，即得到取向的磁致伸縮材料。 其中，高溫度梯度快速凝固法具體的工藝參數(shù)為試棒所處的石英管內(nèi)的真空度小于2. OX 10_3Pa ;感應(yīng)線圈電流強(qiáng)度O. 3 O. 9A ;感應(yīng)線圈電壓I. 8 6. IKV ;試棒相對感應(yīng)線圈的移動速度4 20mm/h。其中，所述精煉方法是所述精煉的工藝參數(shù)為電弧熔煉爐的電流400-500A ;真空度 2. OXlO-3Pa0本發(fā)明的上述制備方法，工藝過程簡單，制造成本低，適于大批量生產(chǎn)上述NiMnFeGaAl-RE系磁致伸縮材料。本發(fā)明的又一目的在于提供一種使用上述NiMnFeGaAl-RE系磁致伸縮材料制成的傳感器或驅(qū)動器。由于本發(fā)明的上述NiMnFeGaAl-RE材料的磁致伸縮應(yīng)性能在低場(< 25000e)下可用線性函數(shù)表征，因此，用這種材料制造傳感器或驅(qū)動器時，能使傳感器或驅(qū)動器的設(shè)計簡化。而其磁致伸縮應(yīng)變隨磁場的確定的、簡單的變化規(guī)律可使傳感器或驅(qū)動器用于柔性控制。


圖I為根據(jù)本發(fā)明的Nil0Mn5Fe60Ga20A16Cel磁致伸縮材料實(shí)驗(yàn)測得的磁致伸縮
應(yīng)變與磁場強(qiáng)度的關(guān)系曲線。圖2為本發(fā)明的Nil0Mn5Fe60Ga20A16Cel磁致伸縮材料在振動樣品磁強(qiáng)計(VSM)中所測得的磁滯回線。圖3為實(shí)施例2磁致伸縮應(yīng)變一磁場擬合曲線圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例lNil0Mn5Fe60Ga20A16Cel 的制備選用高純度金屬Fe (99. 5 % ), Ce (90 % ), Ni (99. 5 % ), Mn (99. 5 % ),Al (99. 5 % )和Ga (99. 9 % )作為原料，并按照各元素在合金中的原子數(shù)比為Ni : Mn : Fe : Ga : Al : Ce為10 : 5 : 60 : 20 : 6 : I稱量各金屬原料的用量。制造工藝包括將稱量好的金屬原料混合后，在在氬氣保護(hù)下的水冷銅坩堝非自耗電弧熔煉爐中反復(fù)熔煉4次使之混合均勻，工藝參數(shù)為電弧熔煉爐的電流400-500A，真空度2X10_3Pa，將得到的合金澆鑄成圓棒；對澆鑄成的合金棒用高溫度梯度快速凝固法，進(jìn)行晶體定向生長，并通過調(diào)整溫度梯度GL和生長速度V的比值，得到〈100〉和〈110〉織構(gòu)的取向多晶；其中，溫度梯度和生長速度通過工藝參數(shù)控制，高溫度梯度快速凝固法工藝參數(shù)為試棒所處的石英管內(nèi)的真空度高于2.0X10_3Pa ;感應(yīng)線圈電流強(qiáng)度O. 6A ;感應(yīng)線圈電壓2. IKV ;試棒相對感應(yīng)線圈的移動速度10mm/h。實(shí)施例2Nil0Mnl0Fe60Ga20A16Cel 的制備選用高純度金屬Fe (99. 5 % ), Ce (90 % ), Ni (99. 5 % ), Mn (99. 5 % ),Al (99. 5 % )和Ga (99. 9 % )作為原料，并按照各元素在合金中的原子數(shù)比為Ni : Mn : Fe : Ga : Al : Ce為10 : 10 : 60 : 20 : 6 : I稱量各金屬原料的用量。制造工藝包括將稱量好的金屬原料混合后，在在氬氣保護(hù)下的水冷銅坩堝非自 耗電弧熔煉爐中反復(fù)熔煉4次使之混合均勻，工藝參數(shù)為電弧熔煉爐的電流400-500A，真空度2X10_3Pa，將得到的合金澆鑄成圓棒；對澆鑄成的合金棒用高溫度梯度快速凝固法，進(jìn)行晶體定向生長，并通過調(diào)整溫度梯度GL和生長速度V的比值，得到〈100〉和〈110〉織構(gòu)的取向多晶；其中，溫度梯度和生長速度通過工藝參數(shù)控制，高溫度梯度快速凝固法工藝參數(shù)為試棒所處的石英管內(nèi)的真空度高于2. OX 10_3Pa ;感應(yīng)線圈電流強(qiáng)度O. 4A ;感應(yīng)線圈電壓4. IKV ;試棒相對感應(yīng)線圈的移動速度15mm/h。對實(shí)施例I中得到材料的磁性能進(jìn)行測定，得到附圖I和附圖2所示的結(jié)果。附圖I的結(jié)果表明了該材料沒有磁滯，是典型的鐵磁材料。附圖2的結(jié)果表明實(shí)施例I得到的材料的磁致伸縮應(yīng)變隨磁場的變化規(guī)律在低場(< 25000e)下可用線性函數(shù)表征，其磁致伸縮應(yīng)變隨磁場變化規(guī)律線性擬合得到的方程為λ = -7. 67+0. 014Η其中λ為磁致伸縮應(yīng)變，單位為ppm，即10_6，也即百萬分之一 ；H為磁場強(qiáng)度，單位為奧斯特。，對實(shí)施例2得到材料的磁性能進(jìn)行測定，可以得到相似的結(jié)果。附圖3的結(jié)果表明實(shí)施例2得到的材料的在低場(< 25000e)下的磁致伸縮應(yīng)變隨磁場變化規(guī)律可以用線性函數(shù)表征，其磁致伸縮應(yīng)變隨磁場變化規(guī)律擬合得到的方程為λ = -2. 85+0. 029Η其中λ為磁致伸縮應(yīng)變，單位為ppm，即10_6，也即百萬分之一 ；H為磁場強(qiáng)度，單位為奧斯特。
權(quán)利要求
1.一種NiMnFeGaAl-RE系磁致伸縮材料，其特征為材料成分由Ni、Mn、Fe、Ga、Al和RE元素組成，各元素在合金中的原子數(shù)比Ni : Mn : Fe : Ga : Al : RE為5 20 : 5 30 40 60 18 25 O. 01 2，其中 RE 是 La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy 和 Y 中的一種或兩種；磁致伸縮應(yīng)變在低場(< 15000e)下隨磁場的增加而線性增加，可用線性函數(shù)表征，無磁滯。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁致伸縮材料，所述RE為Ce，且各元素在合金中的原子數(shù)比Ni : Mn : Fe : Ga : Al : Ce 為 10 : 5 : 60 : 20 : 6 : I。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁致伸縮材料，所述RE為Ce，且各元素在合金中的原子數(shù)比Ni : Mn : Fe : Ga : Al : Ce 為 10 : 10 : 60 : 20 : 6 : I。
4.制備權(quán)利要求I或2或3所述的磁致伸縮材料的方法，包括以下步驟 (1)按磁致伸縮材料的成分組成準(zhǔn)備原料。
(2)將原料加熱熔融進(jìn)行精煉，所述精煉為在氬氣保護(hù)下的水冷銅坩堝非自耗電弧熔煉爐中反復(fù)熔煉4次使之混合均勻，得到的合金澆鑄成圓棒。
(3)對合金棒用高溫度梯度快速凝固法，進(jìn)行晶體定向生長，得到〈100〉和〈110〉織構(gòu)的取向多晶，即得到磁致伸縮材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述高溫度梯度快速凝固法的工藝參數(shù)為試棒所處的石英管內(nèi)的真空度高于2. OX 10_3Pa ;感應(yīng)線圈電流強(qiáng)度O. 3 O. 9A ;感應(yīng)線圈電壓I. 8 6. IKV ;試棒相對感應(yīng)線圈的移動速度4 20mm/h。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的制備方法，其特征在于，所述精煉的工藝參數(shù)為電弧熔煉爐的電流400-500A ;真空度2. OX 10_3Pa。
7.—種傳感器磁致伸縮元件，所述磁致伸縮元件由權(quán)利要求I或2或3所述的磁致伸縮材料制成。
8.—種驅(qū)動器磁致伸縮元件，所述磁致伸縮元件由權(quán)利要求I或2或3所述的磁致伸縮材料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種NiMnFeGaAl-RE系磁致伸縮材料及其制備方法。其中，該磁致伸縮材料的材料成分由Ni、Mn、Fe、Ga、Al和RE元素組成，各元素在合金中的原子數(shù)比Ni∶Mn∶Fe∶Ga∶Al∶RE為5～20∶5～30∶40～60∶18～25∶0.01～2，其中RE是La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy和Y中的一種或兩種。本發(fā)明的磁致伸縮材料通過用高溫度梯度快速凝固法，對精煉后的合金棒進(jìn)行晶體定向生長，得到和織構(gòu)的取向多晶材料。本發(fā)明的磁致伸縮材料的磁致伸縮應(yīng)變在低場(＜1500Oe)下隨磁場的增加而線性增加，可用線性函數(shù)表征，無磁滯，這個特性可以使傳感器的設(shè)計簡化，并且該材料的成本低、機(jī)械加工性能良好、制備工藝簡單。
文檔編號H01L41/20GK102816973SQ201210167430
公開日2012年12月12日 申請日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18日
發(fā)明者龔沛, 江麗萍, 龔澤弘, 趙增祺 申請人:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)