專利名稱：一種粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，具體為ー種粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料的制備方法，尤其涉及粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料的動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)的顯著增加。
背景技術(shù)：
稀土鐵超磁致伸縮材料是ー種在磁場下能夠產(chǎn)生巨大伸縮變形的新型功能材料，它具有磁致伸縮大、能量密度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，因此在低頻大功率水聲換能器、精密控制系統(tǒng)、有源消振及傳感器等方面得到廣泛應(yīng)用。目前，稀土鐵超磁致伸縮材料的制備方法主要有定向凝固法、燒結(jié)法和粘結(jié)法。定向凝固法可以制備出磁致伸縮性能較好的材料，但存在制備エ藝復(fù)雜、成本昂貴、難于制備復(fù)雜形狀及高頻特性差等問題。采用粘結(jié)法制備稀土超磁致伸縮材料時(shí)，通常將經(jīng)過熔煉、研磨后的合金粉末與樹脂粘結(jié)劑均勻混合，然后壓制成一定形狀的復(fù)合材料。雖然粘結(jié)劑的加入使材料的磁性能有所下降，但粘結(jié)法 具有エ藝簡單、可制成復(fù)雜形狀材料和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。ー些研究者采用粘結(jié)法制備了稀土 -鐵超磁致伸縮材料，研究了材料的磁致伸縮、動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)和磁機(jī)械耦合系數(shù)(Hudson 等，J. Appl. Phys.，1998,83(11), 7255 ；Sandlund 等，J. Appl. Phys.，1994, 75( 10),5656 ;解偉等，金屬功能材料，2001，8 (4)，29)。但制備的材料的磁致伸縮性能，尤其是動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)和磁機(jī)械耦合系數(shù)偏低(一般動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)為1.8nmA'磁機(jī)械耦合系數(shù)為0. 28)，限制了粘結(jié)稀土超磁致伸縮材料的應(yīng)用。針對(duì)當(dāng)前稀土鐵超磁致伸縮材料的技術(shù)中存在的制備エ藝復(fù)雜、成本昂貴、難于制備復(fù)雜形狀材料及材料的高頻特性差等問題，提出一種采用二次退火、磁場取向的粘結(jié)方法來制備超磁致伸縮材料。該方法具有制備エ藝簡單、可制成復(fù)雜形狀材料、成本低廉及材料的高頻特性好等優(yōu)點(diǎn)，明顯改善粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料的動(dòng)態(tài)特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)當(dāng)前稀土鐵超磁致伸縮材料的技術(shù)中存在的制備エ藝復(fù)雜、成本昂貴、難于制備復(fù)雜形狀材料及材料的高頻特性差等問題，提出一種粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料的制備方法。該方法采用二次退火、磁場取向的粘結(jié)方法，具有制備エ藝簡單、可制成復(fù)雜形狀材料、成本低廉及材料的高頻特性好等優(yōu)點(diǎn)，可明顯改善粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料的動(dòng)態(tài)特性。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料的制備方法，該材料成分為(RxDy1JFey,其中R為Tb或Sm，X的范圍在0. 25-0. 9之間，y的范圍在I. 5-2. 0之間；原材料采用高純金屬Tb、Dy、Sm、Fe，純度的重量百分?jǐn)?shù)為99. 9% ;其制備方法包括以下步驟首先將金屬原材料按上述比例混合后在高純氬氣保護(hù)下電弧熔煉得到合金鑄錠，合金錠在高純氬氣保護(hù)下進(jìn)行700-950°C、45-50小時(shí)均勻化退火，爐冷至室溫，然后在有機(jī)液體保護(hù)下將合金錠粉碎、研磨成粒度為50-180 u m的粉末，壓實(shí)后在高純氬氣保護(hù)下進(jìn)行300-500°C、5-8小時(shí)的二次退應(yīng)カ退火，最后將粉末與粘結(jié)劑按質(zhì)量比粉末粘結(jié)劑=100:6-8混合，放入模具中加壓成形，退模后在磁場中固化36-48小時(shí)，最后得到粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料。所述的粘結(jié)劑可以為環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑，型號(hào)為HY-914 ；所述的有機(jī)液體可以為高純度酒精，純度彡99. 7%。所述的退模后在磁場中固化混合材料時(shí)，固化磁場方向垂直于樣品的軸向。由于采用了二次退火、磁場取向的粘結(jié)方法，顯著地降低了合金粉末的應(yīng)力，使制備的稀土超磁致伸縮材料的磁致伸縮、動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)和磁機(jī)械耦合系數(shù)明顯提高，與背景技術(shù)相比(Hudson 等，J. Appl. Phys.，1998,83( 11), 7255 ；Sandlund 等，J. Appl. Phys.，1994，75 (10)，5656 ;解偉等，金屬功能材料，2001，8 (4)，29)，制備的材料的磁致伸縮提高11%，動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)提高49%，磁機(jī)械耦合系數(shù)提高43%-54%。同吋，材料具有較高的電阻率，高頻特性好。因此，發(fā)明的方法對(duì)于稀土超磁致伸縮材料的應(yīng)用及器件開發(fā)具有重要 意義。


圖I為實(shí)施例I中粘結(jié)方法制備的Tbtl 3Dytl 7Fe19材料的磁致伸縮與磁場的關(guān)系曲線；圖2為實(shí)施例I中粘結(jié)方法制備的Tba3Dya7Feu材料的動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)も3與磁場的關(guān)系曲線；圖3為實(shí)施例I中粘結(jié)方法制備的Tbtl 3Dytl 7Fe19材料的磁機(jī)械耦合系數(shù)與磁場的關(guān)系曲線；圖4為實(shí)施例2中粘結(jié)方法制備的Smtl 88Dya 12FeL9材料的磁致伸縮與磁場的關(guān)系曲線；圖5為實(shí)施例3中粘結(jié)方法制備的Tbtl 25Dya 75Fe2材料的磁致伸縮與磁場的關(guān)系曲線；圖6為實(shí)施例4中粘結(jié)方法制備的Tba35Dya Je1.8材料的磁致伸縮與磁場的關(guān)系曲線；圖I為實(shí)施例5中粘結(jié)方法制備的Sma8Dya2Feu材料的動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)も3與磁場的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用二次退火、磁場取向的粘結(jié)方法，制備的粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料，提高了粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料的特性，尤其是提高了材料的動(dòng)態(tài)特性?？芍苽涑芍睆綖?-20mm，長度為10_40mm的樣品。本發(fā)明的二次退火、磁場取向的粘結(jié)方法，所制備材料的磁致伸縮性能，尤其是動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)和磁機(jī)械耦合系數(shù)明顯提高。實(shí)施例I(I)按純度均為99. 9%的Tb、Dy和Fe金屬塊狀原料按照摩爾比Tb Dy =Fe = 0. 3 0. 7 1.9混合后裝入電弧爐的甘鍋中，電弧爐先抽真空達(dá)5X10_3Pa以上，用高純氬氣沖洗兩次，然后在高純氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，熔煉電流150-180安培，時(shí)間為20-30秒，之后將合金錠翻轉(zhuǎn)，熔煉3次得到成分均勻的合金錠。(2)將熔煉后的合金錠表面處理干凈，用鑰箔包裹，密封于抽真空、充入高純氬氣的石英管中，其中真空達(dá)5X10_3Pa。在管式電阻爐中均勻化退火，退火溫度950°C、退火時(shí)間為50小時(shí)，然后將合金錠爐冷至室溫20°C。(3)將退火后的合金錠表面清理干凈，應(yīng)用壓カ將合金錠制成粒度小于0. 5mm顆粒，然后將粉碎的合金浸如純度> 99. 7%酒精溶液中，在酒精溶液的保護(hù)下將退火后的合金在瑪瑙甘鍋中研磨成粒度為50-180 u m的粉末。(4)將粒度為50-180 U m的粉末裝入模具中加壓壓實(shí)，壓カ為20MPa，退模后的樣品用鑰箔嚴(yán)密包裹，封裝于抽真空、充入高純氬氣的石英管中，真空達(dá)5X10_3Pa。在管式電阻爐中進(jìn)行二次退火，退火溫度為400°C、退火時(shí)間為6小吋。(5)將二次退火后的樣品放入甘鍋中粉碎，使樣品恢復(fù)成粒度為50-180 U m的粉 末。(6)將粒度為50-180 U m的粉末與型號(hào)為海燕牌HY-914環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑按質(zhì)量比，粉末粘結(jié)劑=100:6放在在甘鍋中混合，機(jī)械攪拌均勻，然后將混合均勻的復(fù)合材料放入模具中加SO-IOOMPa的壓カ成形，退模得到一定尺寸復(fù)合材料。(7)將復(fù)合材料在磁場中固化，固化磁場為500kA/m,磁場方向垂直于樣品的軸向，固化時(shí)間為48小吋，固化后得到一定尺寸復(fù)合材料樣品。從附圖I可以看出，粘結(jié)Tba3Dya7Feu合金樣品在低磁場下具有較高的磁致伸縮數(shù)值，當(dāng)磁場為100kA/m時(shí)，磁致伸縮可達(dá)465X 10_6。從附圖2可以看出，粘結(jié)Tba3Dya7Feu合金樣品的動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)d33在60kA/m磁場下取得最大值，2. egnmA—1，動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)比文獻(xiàn)報(bào)道的提高49%。從附圖3可以看出，粘結(jié)TbQ.3Dya7Fei.9合金樣品在90_150kA/m磁場范圍內(nèi)具有很高的磁機(jī)械耦合系數(shù)，最大值為0. 4，磁機(jī)械耦合系數(shù)比文獻(xiàn)報(bào)道的提高43%-54%。實(shí)施例2 (I)按純度均為99. 9%的Sm、Dy和Fe金屬塊狀原料按照摩爾比Sm Dy =Fe = 0. 88 0. 12 :1. 9混合后裝入電弧爐的甘鍋中，電弧爐先抽真空達(dá)5X KT3Pa以上，用高純氬氣沖洗兩次，然后在高純氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，熔煉電流120—150安培，時(shí)間為20-30秒，然后將合金錠翻轉(zhuǎn)，熔煉3次得到成分均勻的合金錠。(2)將熔煉后的合金錠表面處理干凈，用鑰箔包裹，密封于抽真空、充入高純氬氣的石英管中，其中真空達(dá)5X10_3Pa。在管式電阻爐中均勻化退火，退火溫度750°C、退火時(shí)間為48小時(shí)，然后將合金錠爐冷至室溫20°C。(3)將退火后的合金錠表面清理干凈，應(yīng)用壓カ將合金錠粉碎，然后將粉碎的合金浸如純度>99. 7%酒精溶液中，在酒精溶液的保護(hù)下將退火后的合金研磨成粒度為50-180 iim 的粉末。(4)將粒度為50-180 iim的粉末裝入模具中加壓壓實(shí)，壓カ為20MPa，用鑰箔嚴(yán)密包裹，封裝于抽真空、充入高純氬氣的石英管中，真空達(dá)5X10_3Pa。在管式電阻爐中進(jìn)行ニ次退火，退火溫度為350°C、退火時(shí)間為5小吋。(5)將二次退火后的樣品放入甘鍋中粉碎，使樣品恢復(fù)成粒度為50-180 U m的粉末。
(6)將粒度為50-180 U m的粉末與型號(hào)為海燕牌HY-914環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑按質(zhì)量比，粉末粘結(jié)劑=100:8放在在甘鍋中混合，機(jī)械攪拌均勻，然后將混合均勻的復(fù)合材料放入模具中加IOOMPa的壓カ成形，退模得到一定尺寸復(fù)合材料。(7)將復(fù)合材料在磁場中固化，固化磁場為500kA/m,磁場方向垂直于樣品的軸向，固化時(shí)間為48小吋，固化后得到一定尺寸復(fù)合材料樣品。從附圖4可以看出，粘結(jié)Sma88Dya Je1.9合金樣品在低磁場下具有較高的磁致伸縮數(shù)值，當(dāng)磁場為lOOkA/m吋，磁致伸縮可達(dá)265 X 10_6，比文獻(xiàn)報(bào)道的高43% (J. AlloysCompd.，2011，509，4954)并且制備的合金的磁致伸縮滯回較小，材料適合在器件中應(yīng)用。實(shí)施例3本實(shí)施例其它步驟同實(shí)施例1，不同之處在于步驟(I)所用的金屬的摩爾比變化為Tb Dy =Fe = 0. 25 :0. 75 2 ;步驟(2)中的退火溫度為900°C，時(shí)間為50小時(shí)；步驟(4) 中的二次退火溫度為300°C，時(shí)間為8小吋。從附圖5可以看出，粘結(jié)Tba25Dya75Fe2材料在高磁場下(400_500kA/m)具有較高的磁致伸縮，但在低磁場下(0-150kA/m)明顯低于粘結(jié)Tba3Dya7Feu材料的磁致伸縮。實(shí)施例4本實(shí)施例其它步驟同實(shí)施例1，不同之處在于步驟(I)所用的金屬的摩爾比變化為Tb Dy =Fe = 0. 35 :0. 65 :1. 8 ;步驟(2)中的退火溫度為900°C，時(shí)間為50小時(shí);步驟(4)中的二次退火溫度為450°C，時(shí)間為5小吋。從附圖6可以看出，粘結(jié)Tba^5Dya65Feu材料的磁致伸縮低于粘結(jié)Tba^ya7Feu和Tba25Dya75Fe2材料的磁致伸縮。實(shí)施例5本實(shí)施例其它步驟同實(shí)施例2，不同之處在于步驟(I)所用的金屬的摩爾比變化為Sm Dy Fe = 0.8 :0. 2 :1. 6 ;步驟(2)中的退火溫度為700°C，時(shí)間為45小時(shí)，;步驟(4)中的二次退火溫度為300°C，時(shí)間為6小吋。從附圖7可以看出，粘結(jié)Sm。.8Dy0.2FeL6材料在90_150kA/m磁場范圍內(nèi)具有較高的動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)d33。
權(quán)利要求
1.一種粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料的制備方法，其特征為該材料成分為(RxDy1JFey,其中R為Tb或Sm，X的范圍在0. 25-0. 9之間，y的范圍在I. 5-2. 0之間；原材料采用高純金屬Tb、Dy、Sm、Fe，純度的重量百分?jǐn)?shù)為99. 9% ;其制備方法包括以下步驟 首先將金屬原材料按上述比例混合后在高純氬氣保護(hù)下電弧熔煉得到合金鑄錠，合金錠在高純氬氣保護(hù)下進(jìn)行700-950°C、45-50小時(shí)均勻化退火，爐冷至室溫，然后在有機(jī)液體保護(hù)下將合金錠粉碎、研磨成粒度為50-180 u m的粉末，壓實(shí)后在高純氬氣保護(hù)下進(jìn)行300-500°C、5-8小時(shí)的二次退應(yīng)力退火，最后將粉末與粘結(jié)劑按質(zhì)量比粉末粘結(jié)劑=100:6-8混合，放入模具中加壓成形，退模后在磁場中固化36-48小時(shí)，最后得到粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料。
2.如權(quán)利要求I所述的粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料的制備方法，其特征為所述的粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑。
3.如權(quán)利要求I所述的粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料的制備方法，其特征為所述的有機(jī)液體為高純度酒精，純度> 99.7%。
4.如權(quán)利要求I所述的粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料的制備方法，其特征為退模后在磁場中固化混合材料時(shí)，固化磁場方向垂直于樣品的軸向。
全文摘要
本發(fā)明為一種粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料的制備方法，包括以下步驟首先將金屬原材料按上述比例混合后在高純氬氣保護(hù)下電弧熔煉得到合金鑄錠，然后進(jìn)行700-950℃、45-50小時(shí)均勻化退火，爐冷至室溫，之后將合金錠粉碎、研磨成粒度為50-180μm的粉末,壓實(shí)后在高純氬氣保護(hù)下進(jìn)行300-500℃、5-8小時(shí)的二次退應(yīng)力退火，最后將粉末與粘結(jié)劑混合，放入模具中加壓成形，退模后在磁場中固化36-48小時(shí)，最后得到粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料。本發(fā)明采用了二次退火、磁場取向的粘結(jié)方法，顯著地降低了合金粉末的應(yīng)力，使制備的稀土超磁致伸縮材料的磁致伸縮、動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)和磁機(jī)械耦合系數(shù)明顯提高，同時(shí)材料具有較高的電阻率，提高了材料的高頻特性。
文檔編號(hào)H01L41/20GK102766792SQ20121020166
公開日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者孫英, 王博文, 王志華, 翁玲, 黃文美 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)