CN102816973B - 一种NiMnFeGaAl-RE系磁致伸缩材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种NiMnFeGaAl-RE系磁致伸缩材料及其制备方法。其中，该磁致伸缩材料的材料成分由Ni、Mn、Fe、Ga、Al和RE元素组成，各元素在合金中的原子数比Ni∶Mn∶Fe∶Ga∶Al∶RE为5～20∶5～30∶40～60∶18～25∶0.01～2，其中RE是La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy和Y中的一种或两种。本发明的磁致伸缩材料通过用高温度梯度快速凝固法，对精炼后的合金棒进行晶体定向生长，得到<100>和<110>织构的取向多晶材料。本发明的磁致伸缩材料的磁致伸缩应变在低场(＜1500Oe)下随磁场的增加而线性增加，可用线性函数表征，无磁滞，这个特性可以使传感器的设计简化，并且该材料的成本低、机械加工性能良好、制备工艺简单。

Description

一种NiMnFeGaAl-RE系磁致伸缩材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种磁致伸缩材料及其制备方法，特别是涉及一种NiMnFeGaAl-RE系磁致伸缩材料及其制备方法，并涉及使用了该磁致伸缩材料的传感器和驱动器。
背景技术
铁磁性材料的磁化状态发生改变时，其形状和尺寸要发生变化，这种现象称为磁致伸缩。人们曾想利用Ni合金来制造磁致伸缩器件。但由于它们的磁滞伸缩应变量过小，当时未能推广与应用。本世纪的50年代初，人们已发现Ni-Fe-Co合金的磁致伸缩应变可达到50ppm(1ppm＝10-6)。
2000年美国的S.Guruswamy等人报道了一种由Fe和Ga组成的二元合金，即Fe-Ga合金。Fe-Ga合金具有较高的磁致伸缩系数(0.02～0.03％)，比传统的磁致伸缩材料高出至少几倍以上，强度与磁导率比超磁致伸缩材料高很多；此外，由于Fe-Ga合金为金属固溶体，有较好的延展性和机械加工性；该合金还具有很好的温度特性。因此，有关Fe-Ga基磁致伸缩材料的研究引起了广泛的关注。CN101262039A公开了一种Fe-Ga基磁致伸缩丝，其特征在于材料成分为Fe1-x-yGaxMy，M为除Fe以外的过渡族金属元素及Be、B、Al、In、Si、Ge、Sn、Pb、Bi、N、S、Se中的一种或几种，x＝5～30％，y＝0～15％，余量为Fe；CN101418415A公开了一种Fe-Ga基磁致伸缩丝及其制备方法，其特征在于材料成分为Fe1-x-y-zGaxAlyMz，M选自Co、B、Cr、V、Nb、Zr、Be、Y、Ti等中的一种或多种，其中x＝0.10～0.30，y＝0.01～0.15，z＝0.000～0.1，余量为Fe；CN1472370A中公开了一种具有磁诱导高应变和形状记忆效应的磁性单晶，其成为为Ni50+xMn25-yFeyGa25+z其中：-24.99＜x＜24.99；-24.99＜y＜24.99；-24.99＜2＜24.99，该材料通过提拉法获得。
磁致伸缩材料作为一类智能材料，被广泛应用于换能、驱动、传感等技术领域。利用磁致伸缩材料的威德曼效应，将磁致伸缩材料加工成磁致伸缩丝作为液位传感器、位移传感器、磁弹性型扭矩传感器、杨氏模量传感器等的敏感元件，在质量检验、优化控制、工况检测和故障诊断等领域发挥着重要的作用。在制造传感器时，由于现有的磁致伸缩材料本身的磁滞及应变随磁场变化规律的线性度差，增加了驱动器与传感器信号处理的难度，使传感器和驱动器的设计与制造复杂化。如果有一种材料其磁致伸缩应变与磁场强度在低磁场范围满足简单的函数关系，这样经过简单定标之后，就可以在外加磁场强度与材料本身的磁致伸缩应变之间建立一一对应关系，可以免去设计补偿电路的麻烦，使传感器和驱动器的设计与制造简化。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种NiMnFeGaAl-RE系磁致伸缩材料。其特征为，材料成分由Ni、Mn、Fe、Ga、Al和RE元素组成，各元素在合金中的原子数比Ni∶Mn∶Fe∶Ga∶Al∶RE为5～20∶5～30∶40～60∶18～25∶0.01～2其中RE是La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy和Y中的一种或两种。
上述的磁致伸缩材料磁致伸缩应变(35-150ppm)并没有提高；但机械加工性能好；最主要的是磁致伸缩应变随磁场的变化规律在低场(＜1500Oe)下可用线性函数表征，无磁滞。
优选地，所述RE为Ce，且各元素在合金中的原子数比Ni∶Mn∶Fe∶Ga∶Al∶Ce为10∶5∶60∶20∶6∶1，或各元素在合金中的原子数比Ni∶Mn∶Fe∶Ga∶Al∶Ce为10∶10∶∶60∶20∶6∶1。本发明的另一目的之一在于提供一种制备上述NiMnFeGaAl-RE系磁致伸缩材料的方法。其包括如下工艺步骤：
(1)按磁致伸缩材料的成分组成准备原料；
(2)将原料加热熔融进行精炼，所述精炼为在氩气保护下的水冷铜坩埚非自耗电弧熔炼炉中反复熔炼4次使之混合均匀，得到的合金浇铸成圆棒；
(3)对合金棒用高温度梯度快速凝固法进行晶体定向生长，得到<100>和<110>织构的取向多晶，即得到取向的磁致伸缩材料。
其中，高温度梯度快速凝固法具体的工艺参数为：试棒所处的石英管内的真空度小于2.0×10-3Pa；感应线圈电流强度0.3～0.9A；感应线圈电压1.8～6.1KV；试棒相对感应线圈的移动速度：4～20mm/h。
其中，所述精炼方法是：所述精炼的工艺参数为：电弧熔炼炉的电流400-500A；真空度2.0×10-3Pa。
本发明的上述制备方法，工艺过程简单，制造成本低，适于大批量生产上述NiMnFeGaAl-RE系磁致伸缩材料。
本发明的又一目的在于提供一种使用上述NiMnFeGaAl-RE系磁致伸缩材料制成的传感器或驱动器。由于本发明的上述NiMnFeGaAl-RE材料的磁致伸缩应性能在低场(＜2500Oe)下可用线性函数表征，因此，用这种材料制造传感器或驱动器时，能使传感器或驱动器的设计简化。而其磁致伸缩应变随磁场的确定的、简单的变化规律可使传感器或驱动器用于柔性控制。
附图说明：
图1为根据本发明的Ni10Mn5Fe60Ga20Al6Ce1磁致伸缩材料实验测得的磁致伸缩应变与磁场强度的关系曲线。
图2为本发明的Ni10Mn5Fe60Ga20Al6Ce1磁致伸缩材料在振动样品磁强计(VSM)中所测得的磁滞回线。
图3为实施例2磁致伸缩应变—磁场拟合曲线图。
具体实施方式：
实施例1Ni10Mn5Fe60Ga20Al6Ce1的制备
选用高纯度金属Fe(99.5％)、Ce(90％)、Ni(99.5％)、Mn(99.5％)、Al(99.5％)和Ga(99.9％)作为原料，并按照各元素在合金中的原子数比为Ni∶Mn∶Fe∶Ga∶Al∶Ce为10∶5∶60∶20∶6∶1称量各金属原料的用量。
制造工艺包括：将称量好的金属原料混合后，在在氩气保护下的水冷铜坩埚非自耗电弧熔炼炉中反复熔炼4次使之混合均匀，工艺参数为：电弧熔炼炉的电流400-500A，真空度：2×10-3Pa，将得到的合金浇铸成圆棒；对浇铸成的合金棒用高温度梯度快速凝固法，进行晶体定向生长，并通过调整温度梯度GL和生长速度V的比值，得到<100>和<110>织构的取向多晶；其中，温度梯度和生长速度通过工艺参数控制，高温度梯度快速凝固法工艺参数为：试棒所处的石英管内的真空度高于2.0×10-3Pa；感应线圈电流强度0.6A；感应线圈电压2.1KV；试棒相对感应线圈的移动速度10mm/h。
实施例2Ni10Mn10Fe60Ga20Al6Ce1的制备
选用高纯度金属Fe(99.5％)、Ce(90％)、Ni(99.5％)、Mn(99.5％)、Al(99.5％)和Ga(99.9％)作为原料，并按照各元素在合金中的原子数比为Ni∶Mn∶Fe∶Ga∶Al∶Ce为10∶10∶60∶20∶6∶1称量各金属原料的用量。
制造工艺包括：将称量好的金属原料混合后，在在氩气保护下的水冷铜坩埚非自耗电弧熔炼炉中反复熔炼4次使之混合均匀，工艺参数为：电弧熔炼炉的电流400-500A，真空度2×10-3Pa，将得到的合金浇铸成圆棒；对浇铸成的合金棒用高温度梯度快速凝固法，进行晶体定向生长，并通过调整温度梯度GL和生长速度V的比值，得到<100>和<110>织构的取向多晶；其中，温度梯度和生长速度通过工艺参数控制，高温度梯度快速凝固法工艺参数为：试棒所处的石英管内的真空度高于2.0×10-3Pa；感应线圈电流强度0.4A；感应线圈电压4.1KV；试棒相对感应线圈的移动速度15mm/h。
对实施例1中得到材料的磁性能进行测定，得到附图1和附图2所示的结果。附图1的结果表明了该材料没有磁滞，是典型的铁磁材料。附图2的结果表明实施例1得到的材料的磁致伸缩应变随磁场的变化规律在低场(＜2500Oe)下可用线性函数表征，其磁致伸缩应变随磁场变化规律线性拟合得到的方程为：
λ＝-7.67+0.014H
其中：λ为磁致伸缩应变，单位为ppm，即10-6，也即百万分之一；H为磁场强度，单位为奥斯特。，
对实施例2得到材料的磁性能进行测定，可以得到相似的结果。附图3的结果表明实施例2得到的材料的在低场(＜2500Oe)下的磁致伸缩应变随磁场变化规律可以用线性函数表征，其磁致伸缩应变随磁场变化规律拟合得到的方程为：
λ＝-2.85+0.029H
其中：λ为磁致伸缩应变，单位为ppm，即10-6，也即百万分之一；H为磁场强度，单位为奥斯特。

Claims (7)

1.一种NiMnFeGaAl-RE系磁致伸缩材料，其特征为材料成分由Ni、Mn、Fe、Ga、Al和Ce元素组成，各元素在合金中的原子数比Ni∶Mn∶Fe∶Ga∶Al∶Ce为10∶5∶60∶20∶6∶1，所述材料的磁致伸缩应变在小于1500Oe的低场下随磁场的增加而线性增加，可用线性函数表征，无磁滞。
2.一种NiMnFeGaAl-RE系磁致伸缩材料，其特征为材料成分由Ni、Mn、Fe、Ga、Al和Ce元素组成，各元素在合金中的原子数比Ni∶Mn∶Fe∶Ga∶Al∶Ce为10∶10∶60∶20∶6∶1，所述材料的磁致伸缩应变在小于1500Oe的低场下随磁场的增加而线性增加，可用线性函数表征，无磁滞。
3.制备权利要求1或2所述的磁致伸缩材料的方法，包括以下步骤：
(1)按磁致伸缩材料的成分组成准备原料；
(2)将原料加热熔融进行精炼，所述精炼为在氩气保护下的水冷铜坩埚非自耗电弧熔炼炉中反复熔炼4次使之混合均匀，得到的合金浇铸成圆棒；
(3)对合金棒用高温度梯度快速凝固法，进行晶体定向生长，得到<100>和<110>织构的取向多晶，即得到磁致伸缩材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述高温度梯度快速凝固法的工艺参数为：试棒所处的石英管内的真空度高于2.0×10-3Pa；感应线圈电流强度0.3～0.9A；感应线圈电压1.8～6.1KV；试棒相对感应线圈的移动速度：4～20mm/h。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述精炼的工艺参数为：电弧熔炼炉的电流400-500A；真空度2.0×10-3Pa。
6.一种传感器磁致伸缩元件，所述磁致伸缩元件由权利要求1或2所述的磁致伸缩材料制成。
7.一种驱动器磁致伸缩元件，所述磁致伸缩元件由权利要求1或2所述的磁致伸缩材料制成。
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