磁致伸縮材料是一類新型智能材料,在機(jī)器人、傳感器和位移控制器等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。與傳統(tǒng)磁致伸縮材料和已商業(yè)化巨磁致伸縮材料相比,新型Fe-Ga磁致伸縮材料具有更易實(shí)用化的優(yōu)良特性和應(yīng)用前景,例如低磁場下應(yīng)變高、力學(xué)性能好、對溫度的依賴性低、價(jià)格低廉等,因而Fe-Ga合金成為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。早期關(guān)于Fe-Ga合金的研究主要集中在單晶Fe-Ga合金,但其制備工藝復(fù)雜、成本高,難以廣泛應(yīng)用。為拓寬Fe-Ga合金的應(yīng)用范圍,人們開始關(guān)注多晶Fe-Ga合金。然而,采用常規(guī)熔煉法制備的多晶Fe-Ga合金磁致伸縮系數(shù)很低,限制了其實(shí)際應(yīng)用。因此,提高多晶Fe-Ga合金的磁致伸縮性能成為該類合金能廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。合金結(jié)構(gòu)決定合金性能,合金結(jié)構(gòu)又與合金成分和制備工藝密切相關(guān)。為提高多晶Fe-Ga合金磁致伸縮系數(shù),研究者做了大量工作。近年來,具有特殊4f電子層結(jié)構(gòu)的稀土元素因具有優(yōu)異的磁學(xué)性質(zhì)而引起人們的廣泛關(guān)注。人們將微量稀土元素Tb、Dy、Ce、Y、Sm、Pr等摻雜到Fe-Ga合金中,發(fā)現(xiàn)Fe-Ga合金的磁致伸縮性能得到明顯的改善。然而到目前為止,有關(guān)稀土摻雜Fe-Ga合金的磁... 

【文章來源】：材料導(dǎo)報(bào). 2020,34(07)北大核心EICSCD

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不同稀土元素?fù)诫sFe-Ga合金的研究文獻(xiàn)所占比例

為了研究合金的力學(xué)性能，通常將重點(diǎn)放在極限拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變上，這兩種力學(xué)特性分別代表了合金的強(qiáng)度和延展性。Meng等[31]研究了(Fe0.81Ga0.19)100-xTbx(0<x<1)合金的力學(xué)性能(圖2)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)x<0.2時(shí)，隨著析出相的形成，極限拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變均明顯提高，并且在x=0.2時(shí)合金力學(xué)性能最佳，機(jī)械抗拉強(qiáng)度為(595±10)MPa，斷裂應(yīng)變?yōu)?3.5±0.1)%。對于延展性，在未摻雜的Fe-Ga合金中，晶粒間的斷裂嚴(yán)重劣化了合金的延展性。但稀土元素Tb摻雜有效地改善了合金的延展性。例如，在x=0.1時(shí)，合金的斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚嗔?在x=0.2時(shí)，合金的形貌不僅粗糙，還有富Tb相的析出，其不連續(xù)分布的富Tb相的析出還有助于提升塑性，從而使得合金的延展性顯著提高。但隨著Tb含量(x=0.5和1)的增加，富Tb相的析出增加，導(dǎo)致相間斷裂為主要斷裂模式，而且與基體相比，析出物既硬又脆，因而這種力學(xué)性能較差的析出物對延展性產(chǎn)生了不利影響。對于極限拉伸強(qiáng)度，隨著稀土元素Tb含量的增加，晶粒被細(xì)化，富Tb相的體積分?jǐn)?shù)也較小，在這種情況下，晶粒細(xì)化效應(yīng)阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動并導(dǎo)致合金中的斷裂模式由晶間斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚嗔�，進(jìn)一步提高了合金的極限拉伸強(qiáng)度。隨后，Meng等[32]用定向凝固的方式制得(Fe0.83-Ga0.17)100-xTbx(x=0、0.05、0.1、0.2、0.5)合金。研究發(fā)現(xiàn)，在定向凝固過程中合金的拉伸斷裂行為由脆性向延性轉(zhuǎn)變，并在x=0.05時(shí)，拉伸應(yīng)變達(dá)到最大值，為6.6%。這說明延展性和拉伸強(qiáng)度的改變主要是由于析出物密度不同而導(dǎo)致合金的斷裂模式不同。

Zhou等[33]將稀土元素Ce摻雜到Fe81Ga19合金中，研究發(fā)現(xiàn)在Fe-Ga-Ce合金中，晶格中每個(gè)原子的電子云都是非球形對稱的。因?yàn)樵娱g的固態(tài)反應(yīng)，所以其電子云變得很復(fù)雜。在晶格位置上不同方向的原子間的力，有些變重，有些變?nèi)�，�?dǎo)致晶格畸變。Yao等[13]對比分析了Fe83Ga17和Fe83-Ga17Ce0.8合金的X射線衍射(圖4)，發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)Fe83Ga17Ce0.8合金和經(jīng)過快淬處理后的Fe83Ga17Ce0.8合金會有劈峰出現(xiàn)，說明該各向異性DO3相的形成有利于Fe-Ga合金磁致伸縮系數(shù)的增加。同樣，根據(jù)Lograsso等[3,34-35]的研究，證實(shí)了這種分裂是m-DO3結(jié)構(gòu)的四方晶格畸變的宏觀表征，表明了各向異性的DO3相的形成，而各向異性的DO3相有利于Fe-Ga合金磁致伸縮系數(shù)的增大。Jin等[25]用快淬的方法得到(Fe0.83Ga0.17)100-xDyx(0<x<0.42)合金薄帶。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻雜的Dy元素固溶于A2相中，其磁致伸縮性能有了很大的提高，并在x=0.25時(shí)，磁致伸縮系數(shù)達(dá)到最大值(-662×10-6)，是Fe83Ga17合金的三倍。隨后，他們[22]又研究了在較寬冷卻范圍內(nèi)Fe83Ga17合金中Tb的固溶性，以及(Fe0.83Ga0.17)100-xTbx(0<x<0.47)合金磁致伸縮性能的變化。研究發(fā)現(xiàn)，冷卻速率越快，Tb在Fe-Ga合金中的固溶性越高，從而導(dǎo)致合金的磁致伸縮強(qiáng)度增大。最后，他們又用高溫退火的方式來調(diào)節(jié)Tb的固溶度，在退火過程中發(fā)現(xiàn)固溶的Tb原子擴(kuò)散、偏聚并以第二相的形式析出，導(dǎo)致基體的四方畸變程度顯著降低，因此合金的磁致伸縮性能大幅度降低[30]。這些結(jié)果反證Fe-Ga-Tb合金的巨磁致伸縮效應(yīng)的結(jié)構(gòu)起源是:微量的大原子Tb固溶到基體中引起了較大的晶格畸變，從而增強(qiáng)了合金的磁致伸縮性能。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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