[发明专利]一种原位制备梯度磁致伸缩材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种原位制备梯度磁致伸缩材料的方法。 

背景技术

1987年日本科学家平井敏熊等人首先提出梯度功能材料的概念，旨在采用连续变化的组分梯度来代替突变界面，目前梯度功能材料主要分为两类：一类是组成结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续变化的非均质复合材料，另一类是材料的组成和结构从材料的某一方位(一维、二维或三维)向另一方位连续地变化，使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型功能材料；上述梯度功能材料多为金属/合金，金属/非金属，金属/陶瓷，非金属/陶瓷等多种组合方式的复合材料，然而复合材料中任意两种组合的界面是无法完全消除的。原位法制备梯度功能材料则指的是通过某种手段控制成分在材料内部的分布制备出自身成分或性能呈梯度分布的梯度功能材料。和之前介绍的复合梯度材料相比，原位法制得的梯度功能材料是一个整体，内部没有界面存在，不需要考虑界面带来的任何影响，因此原位法制备梯度功能材料作为一种新型的制备梯度功能材料的方法成为目前研究的热点。 

磁致伸缩材料是一种可以实现电磁能与机械能或声能完美转换的理想材料之一，其中具有代表性的磁致伸缩材料Tb-Fe和Tb-Dy-Fe，凭借其饱和磁致伸缩系数高、机电耦合系数高、输出能量大、响应速度快、能量密度高及非接触驱动等特点，被广泛应用于声纳、致动器、精密机械、磁力传感器、自适应控制系统等高技术领域内器件的制造，在国防和民用领域都有着广泛的应用。 

Tb-Fe和Tb-Dy-Fe磁致伸缩材料中的功能相TbFe₂和(Tb, Dy)Fe₂均属于C15型立方Laves相结构的金属间化合物，且沿易磁化轴<111>方向择优取向的材料具有更大的磁致伸缩系数，因此材料工作制备者致力于研发出沿<111>方向上取向的材料；迄今为止，Tb-Fe和Tb-Dy-Fe的制备方法主要有定向凝固法、烧结法和粘结法，然而这些方法工艺复杂、成本高。 

发明内容

针对现有梯度材料及Tb-Fe和Tb-Dy-Fe磁致伸缩材料在制备技术上存在的上述问题，本发明提供一种原位制备梯度磁致伸缩材料的方法，通过使母合金处于液态，在液态向固态转变的过程中利用磁力矩控制晶体取向，磁化力控制成分分布，形成具有高<111>取向且性能沿磁场梯度方向呈梯度分布的Tb-Fe或Tb-Dy-Fe磁致伸缩材料。 

本发明的原位制备梯度磁致伸缩材料的方法按以下步骤进行： 

1、熔炼制备Tb-Dy-Fe母合金或Tb-Fe母合金，其中Tb-Dy-Fe母合金的原子比为Tb : Dy : Fe=x : (1-x) : y，x=0.27~0.35，y=1.90~2；Tb-Fe母合金的原子比为Tb : Fe=(0.64~0.73) :1；

2、将Tb-Dy-Fe母合金或Tb-Fe母合置于加热炉内的坩埚中，对加热炉抽真空后通入惰性气体，对Tb-Dy-Fe母合金或Tb-Fe母合金施加梯度为100~600T²/m梯度强磁场，在梯度强磁场和惰性气体条件下将Tb-Dy-Fe母合金或Tb-Fe母合金加热至液态，其中当采用Tb-Dy-Fe母合金时，加热至1350~1400℃保温至少8min，采用Tb-Fe母合金时，加热至1320~1380℃保温至少8min；

3、保温结束后，将液态的Tb-Dy-Fe母合金或Tb-Fe母合金以1~5℃ /min 的速度降温至1000±5℃，再随炉冷却至室温，获得Tb-Dy-Fe或Tb-Fe梯度磁致伸缩材料。

上述的坩埚材质为氧化铝、氧化镁或氮化硼。 

上述方法中，对加热炉抽真空后通入惰性气体是将加热炉抽真空至真空度≤10^-3Pa，然后通入惰性气体至0.015~0.03MPa，选用的惰性气体为氩气。 

上述的加热炉中采用的加热方式为电阻加热或感应加热。 

上述方法中，获得的Tb-Fe或Tb-Dy-Fe梯度磁致伸缩材料的功能相的晶体取向呈高<111> 取向，并且材料的磁致伸缩性能沿施加磁场梯度的方向呈梯度分布。 

本发明的原位制备梯度磁致伸缩材料的装置包括强磁体、加热炉、坩埚、支撑杆和支撑架，加热炉设置在强磁体内部的空腔内，加热炉还包括加热体、冷却水套、保温绝缘层和隔热绝缘层；坩埚设置于加热体腔内与带有测温热电偶的支撑杆相连接。 

上述装置中，测温热电偶插入坩埚底部，测温热电偶的另一端与温度采集系统连接。