磁熱感生各向異性對超磁致伸縮材料的作用研究.pdf

1、TbDyFe超磁致伸縮材料(GMMs)是一種先進的智能材料，能實現(xiàn)磁能和機械能的快速轉(zhuǎn)換，在高效換能器、大載荷致動器及高精度傳感器等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。但是，這種超磁致伸縮材料的磁彈耦合行為具有復(fù)雜的非線性，嚴重限制了器件的控制精度，是當前該材料應(yīng)用中亟待解決的重要問題。本文通過調(diào)控初始磁疇分布狀態(tài)，優(yōu)化磁矩運動路徑，提出了磁熱感生各向異性改善非線性磁彈耦合行為的新途徑，并制備出高線性度的高性能材料。在實驗方面，系統(tǒng)研究了磁場退火對＜

2、110＞取向TbDyFe材料的顯微組織、磁疇形貌和磁彈耦合行為的調(diào)控作用，改善了力磁耦合場中的磁致伸縮非線性，顯著提高了飽和磁致伸縮性能，并降低了達到最佳服役性能的偏置壓力和磁場。在理論方面，基于磁疇旋轉(zhuǎn)理論和能量最低原理，揭示了不同初始磁疇分布狀態(tài)下力磁耦合場中的磁矩運動路徑，進而解釋了磁熱感生各向異性對非線性磁彈耦合行為的調(diào)制機理;此外，建立了同時考慮退磁效應(yīng)和晶體生長機制的磁矩旋轉(zhuǎn)模型，解釋了磁熱感生各向異性對離軸磁化過程中的磁矩

3、旋轉(zhuǎn)路徑即各向異性磁致伸縮的作用機制。主要發(fā)現(xiàn)如下:
　　對＜110＞取向TbDyFe材料進行垂直和離軸磁場退火，增大特定易磁化方向的磁疇體積分數(shù)，促進低場下的90°疇變，改善了磁彈耦合行為的非線性，并顯著提高磁致伸縮性能。在居里點以上溫度對＜110＞取向材料進行磁場退火，即冷卻過程中沿垂直軸向或偏離軸向35°施加240kA/m的磁場，晶體學(xué)擇優(yōu)取向和顯微組織無明顯改變，但初始磁疇分布狀態(tài)發(fā)生顯著變化。與熱退磁態(tài)試樣相比，無預(yù)應(yīng)力

4、下的飽和磁致伸縮顯著提高，并仍保持明顯的磁致伸縮“跳躍”效應(yīng)。在30MPa預(yù)壓應(yīng)力下，垂直磁場退火試樣的飽和磁致伸縮達2680ppm，為目前公開報道的同類材料的最高值，離軸磁場退火后飽和磁致伸縮也可達2330ppm。磁致伸縮線性段也顯著提高，由熱退磁態(tài)的1037ppm分別增大至垂直磁場退火態(tài)的1620ppm和離軸磁場退火態(tài)的1358ppm。此外，在相同的偏置條件下，兩種方式磁場退火后的磁致伸縮應(yīng)變率d33也得到了大幅提高。與垂直磁場退火

5、相比，離軸磁場退火降低了達到最大d33的預(yù)壓應(yīng)力和臨界磁場，亦即TbDyFe材料在低場和低載荷下的服役性能得到提高。
　　揭示了磁熱感生各向異性對離軸磁化過程中的磁矩運動路徑和相應(yīng)磁致伸縮行為的作用機制。系統(tǒng)研究了不同初始磁化狀態(tài)下的各向異性磁致伸縮行為，發(fā)現(xiàn)垂直軸向的磁場退火處理不僅增大了發(fā)生縱向磁致伸縮“回落”的臨界磁化角度，而且降低了“回落”的絕對值。同軸磁場退火則可顯著提高垂直磁化時的縱向飽和磁致伸縮，由處理前的-640p

6、pm提高至-1669ppm，增大了1.6倍。建立了同時考慮退磁效應(yīng)和＜110＞取向晶體形成機制的磁致伸縮模型，很好地預(yù)測了不同方向磁化時的各向異性磁致伸縮，與實驗數(shù)據(jù)吻合。此外，基于磁矩的“旋轉(zhuǎn)”和“跳躍”兩種方式揭示了不同初始磁化狀態(tài)時的磁矩運動路徑，基于晶體學(xué)關(guān)系劃分了9類磁疇，揭示了不同磁化過程中的多類磁疇體積分數(shù)演變規(guī)律，解釋了磁熱感生各向異性對離軸磁化時磁致伸縮的作用機制。
　　采用磁力顯微鏡(MFM)觀察了不同方式磁場

7、退火后的磁疇形貌，為磁熱感生各向異性造成的初始磁疇再分布提供了直接證據(jù)。磁場退火明顯改變了＜110＞取向材料的初始磁疇分布狀態(tài)，總體上使多種形態(tài)的磁力分布圖變?yōu)閱我坏?、趨于相互平行的直條紋，即磁疇的磁矩由等價的自發(fā)磁化排列狀態(tài)趨于沿某些（或某一）特定的易磁化方向排列。垂直磁場退火后，磁矩趨于沿橫截面內(nèi)的易磁化方向分布，有利于促進磁化過程中（尤其是低場下）磁矩的90°旋轉(zhuǎn)，從而顯著提高磁致伸縮性能。同軸磁場退火則使磁矩趨于沿＜110＞軸向

8、附近分布，即減少了分布于垂直面內(nèi)的磁矩數(shù)量，降低了磁化過程中的90°疇變，因而造成磁致伸縮的顯著不同。磁力顯微研究表明，磁場退火趨于誘導(dǎo)超磁致伸縮材料形成單軸各向異性，合理解釋了本文觀察到的實驗現(xiàn)象，為建立磁熱感生各向異性與磁彈耦合效應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系提供了重要依據(jù)。
　　揭示了磁熱感生各向異性強弱對TbDyFe＜110＞取向晶體磁彈耦合效應(yīng)的作用機制?；诖女犘D(zhuǎn)理論和能量最低原理，模擬了誘導(dǎo)不同感生各向異性能量時的三維自由能分布，根

9、據(jù)能量最低方向確定了磁熱感生各向異性誘導(dǎo)的初始磁矩再分布過程，并計算了相應(yīng)的磁致伸縮。與預(yù)壓應(yīng)力誘導(dǎo)的垂直截面內(nèi)的面內(nèi)各向異性不同，磁熱處理誘導(dǎo)8個易磁化方向等價分布的磁化矢量趨于一個特定的易軸排列，當感生各向異性能量達到臨界值36kJ/m3時，從初始的具有立方對稱性的內(nèi)稟磁晶各向異性轉(zhuǎn)變?yōu)閱屋S型感生各向異性，即形成理想的初始90°磁疇狀態(tài)。感生各向異性能量低于該臨界值時，＜110＞取向晶體仍表現(xiàn)明顯的磁致伸縮“跳躍”效應(yīng);達到或超過這