[发明专利]一种Fe-Al-B磁致伸缩薄片材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁性材料领域，特别涉及一种Fe-Al-B磁致伸缩薄片材料及其制备方法。

背景技术

铁磁体在外磁场中被磁化时，其长度及体积均发生变化，这个现象被称为磁致伸缩。磁致伸缩材料通常是指沿某一方向具有较大磁致伸缩应变的材料。线磁致伸缩应变通常用λ表示，λ=ΔL/L（L为材料原始长度，ΔL为磁化状态改变时样品长度的变化量）。单晶体的磁致伸缩应变具有晶体学方向性，通常沿不同的晶体学方向具有不同的磁致伸缩应变值。因此，对于多晶磁致伸缩材料来说，总是希望得到沿具有最大磁致伸缩应变晶体学方向的取向多晶材料。

金属磁致伸缩材料的一个主要应用就是制作换能器。以Tb-Dy-Fe为代表的超磁致伸缩材料虽然具有磁致伸缩应变大、能量转换效率高等优良的性能，但由于其质地较脆，塑性很差，加工性差，原材料成本高等，限制了该材料的应用；新兴的Fe-Ga磁致伸缩合金薄片也存在成本较高、磁致伸缩性能不均匀的劣势；传统的金属磁致伸缩材料包括镍、铁镍合金、铁铝合金、铁钴合金等，虽然其磁致伸缩应变值较低，但由于其力学性能好、成本低廉，在磁致伸缩换能器中仍有广泛的应用；而这其中铁铝合金具有最诱人的应用空间，其原材料成本低廉、磁致伸缩应变值较高（单晶体沿<100>晶体学方向可达110×10^-6）、能量转换效率高。

早在20世纪四五十年代，人们就发现铝的质量分数为9%到13%的铁铝合金（原子百分数约为16.1%到23.6%）具有较高的磁致伸缩应变值，美国、日本、苏联更是组织了大量研究人员对该材料进行研究。不过稍后兴起的压电陶瓷材料由于具有更高的应变和能量转换效率，使得铁铝合金逐渐淡出了人们的视野。近年来，随着超声学的逐渐发展，人们希望能够做出大功率甚至是超大功率的超声换能器，而压电陶瓷材料由于其机械性能差、易发热失效等缺点而难以胜任，于是人们又将目光转向了磁致伸缩材料。

作为磁致伸缩材料的Fe-Al合金通常含铝10%或13%（原子百分数约为18.7%或23.6%）；前者饱和磁致伸缩应变值较大，后者各项异性常数K₁较小。已有的研究资料表明，Al原子分数约为19%的铁铝合金单晶的磁致伸缩应变λ₁₀₀约为95×10^-6，(R.C.Hall,Magnetostriction of AluminumIron Single Crystals in the Region of 6 to 30 Atomic Percent Aluminum.Journal of Applied Physics,1957,28(6):707-713.)。通过适当退火处理后其磁致伸缩应变值还有进一步的提高，约为110×10^-6。(R.C.Hall,Single Crystal Anisotropy and Magnetostriction Constants of Several Ferromagnetic Materials Including Alloys of NiFe,SiFe,AlFe,CoNi,and CoFe,Journal of Applied Physics,1959,30(6):816-819.)。无织构的铁铝合金多晶磁致伸缩应变值低，人们通常通过控制织构的方法来提高铁铝多晶合金的磁致伸缩性能。铁铝合金单晶沿<100>方向具有最大的磁致伸缩应变值，因此，可以通过获得高斯织构{110}<001>或立方织构{100}<001>来提高铁铝多晶合金的磁致伸缩性能。二十世纪六十年代，Borodkina和Bulycheva等人曾详细探讨了通过织构控制来改善Fe-10%Al合金多晶薄片磁致伸缩性能的可能性。他们采用冷轧、中间退火、冷轧的工艺来获得薄片材料，冷轧变形量控制在50%~60%。该薄片材料于900℃退火两小时后，材料具有弱的高斯织构{110}<001>和立方织构{100}<001>，其磁致伸缩应变值约为42×10^-6。（E.P.Wohlfarth主编，刘增民等译，铁磁材料：磁有序物质特性手册卷Ⅱ，电子工业出版社，北京，1993:81）。Fe-13%Al合金磁致伸缩应变值较大，，磁各向异性常数K₁小，也是一种常用的磁致伸缩材料；不过随着铝含量的增大，该材料塑性差，冷轧非常困难。