CN107085656A - 一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法 - Google Patents
一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107085656A CN107085656A CN201710229162.6A CN201710229162A CN107085656A CN 107085656 A CN107085656 A CN 107085656A CN 201710229162 A CN201710229162 A CN 201710229162A CN 107085656 A CN107085656 A CN 107085656A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alloy
- magnetostriction
- rare earth
- away
- valence electron
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 68
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 68
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 19
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 35
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 20
- -1 iron gallium rare earth Chemical class 0.000 claims description 12
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 5
- 239000000284 extract Substances 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 12
- 238000012986 modification Methods 0.000 abstract description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 abstract description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 3
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 abstract description 3
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 6
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001329 Terfenol-D Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000010411 cooking Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
- G16C20/30—Prediction of properties of chemical compounds, compositions or mixtures
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
本发明公开了一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法，它包括以下步骤：结构建模、确定晶格常数、价电子结构计算、确定单键半距和共价电子对数和磁致伸缩性能预测；本发明能给出价电子结构与晶体材料性能之间的关系。本发明用经验电子理论得到的价电子结构来预测FeGaRE合金的磁致伸缩性能和最佳的合金配方，其计算结果可以用来指导铁基合金的稀土掺杂改性，得到理想的磁致伸缩性能，具有周期短，成本低的优势。该方法也可以通过调整价电子结构参数用于其它铁基立方晶系材料的磁致伸缩性能研究。
Description
技术领域
本发明涉及计算材料学领域，尤其是一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法。
背景技术
FeGa合金是继传统磁致伸缩材料(Ni，Fe-Al等)和稀土超磁致伸缩材料之后出现的一种新型磁致伸缩材料。这种新型FeGa磁致伸缩材料，具有低饱和磁化场、较大的磁致伸缩系数、良好的加工性能以及低成本等综合优势。但目前实际制备的FeGa合金磁致伸缩系数很低，还不足Terfenol-D合金的1/3。FeGa合金属于体心立方结构，通过设计掺入适量的Ga原子，可以改变合金的切变弹性常数和磁弹性耦合常数，得到具有一定磁致伸缩特性的FeGa合金。合金晶体的磁各向异性对最终的磁致伸缩系数会产生极大的影响。增大各向异性能是提高磁致伸缩系数的重要途径。在FeGa合金中，掺入适量的稀土元素，能够增大合金的磁各向异性能，提高其磁致伸缩系数。
提高合金磁致伸缩系数的传统方法，通常是根据合金的成分，推断可能提高磁致伸缩系数的化学元素，或模仿现有文献进行追踪，从而对FeGa合金进行掺杂改性。合成这种合金后，再进行材料性能测试和效果分析评价。这种炒菜式的材料设计方法，往往缺乏理论计算支撑，难以得到最佳的成分配方，且合成效果不稳定，浪费大量的时间和研究研发资源。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法，可以用来指导提高FeGaRE合金磁致伸缩系数的掺杂改性工艺，具有成本低、方法可靠的优点，也可以推广到其它Fe基磁致伸缩材料的配方设计研究中。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法，它包括以下步骤：
结构建模；
确定晶格常数；
价电子结构计算；
确定单键半距和共价电子对数；
磁致伸缩性能预测。
优选的，所述的结构建模包括：用x表示Ga含量，y表示RE含量，I表示键数，D(n)表示实验键距，a表示晶格常数，R(1)表示单键半距，表示经验理论键距，nC表示共价电子数，nA表示A键共价电子对数，S表示等效原子数，σ表示杂阶，r表示任意键与A键的共价电子对数之比。
优选的，所述单键半距和共价电子数是根据杂阶来选择的。
优选的，无序固溶体中的主要键数由沿(111)方向的最短键A和沿(100)方向的次短键B构成，根据a～y关系曲线，提取晶格常数。
优选的，所述的价电子结构计算包括：
选择Fe、Ga杂化台阶分别确定其单键半距和共价电子数；
计算FeGa合金价电子结构；
计算FeGaRE合金价电子结构。
优选的，所述的计算FeGa合金价电子结构，选择Fe、Ga的杂化台阶，根据Ga的原子百分比，用FeGa合金的实验晶格常数，计算键距差ΔD，最终计算出合金的单键半距和A、B键的键共价电子对数。
优选的，所述的计算FeGaRE合金价电子结构，选择Fe、Ga、RE杂化台阶，根据Ga、RE的原子百分比，用FeGaRE的晶格常数，计算键距差ΔD，最终计算出FeGaRE合金的单键半距和A、B键的键共价电子对数。
优选的，所述的键距差ΔD需满足：
优选的，所述的磁致伸缩性能预测具体为：单键半距越大，键共价电子对数越小，合金的磁致伸缩系数越大；并判定该系列合金的最佳配方。
本发明的有益效果是：该方法能给出价电子结构与晶体材料性能之间的关系。本发明用经验电子理论得到的价电子结构来预测FeGaRE合金的磁致伸缩性能和最佳的合金配方，其计算结果可以用来指导铁基合金的稀土掺杂改性，得到理想的磁致伸缩性能，具有周期短，成本低的优势。该方法也可以通过调整价电子结构参数用于其它铁基立方晶系材料的磁致伸缩性能研究。
附图说明
图1为一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法流程图；
图2为用经验电子理论计算FeGaCe合金Ce的掺入量与单键半距的关系；
图3为实际测试得到合金的掺入不同Ce后的磁致伸缩系数。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例1：
如图1所示，一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法包括：
结构建模：用x表示Ga含量，y表示RE含量，则键数I和键距D(n)等一系列参数可表示如下：
lgrB＝ΔAB，ΔAB＝[D(nA)-D(nB)]/β
式中，I—键数，D(n)—实验键距，a—晶格常数，R(1)—单键半距，—经验理论键距，nC—共价电子数，nA—A键共价电子对数，S—等效原子数，σ—杂阶，r—某键与A键的共价电子对数之比。
确定晶格常数：先选取掺入稀土Ce量为0～2at％的3～4个配方，实验得到其晶格常数，并得到合金晶格常数与Ce含量的a～y关系曲线，供后续根据Ce的含量选择晶格常数a。
泡林系数β：取
单键半距RS(1)：根据杂阶选择。
共价电子数nC：根据杂阶选择。
价电子结构计算：选择Fe、Ga杂化台阶分别确定其单键半距和共价电子数，分别计算FeGa合金价电子结构和FeGaRE合金价电子结，具体为：
Fe81Ga19合金价电子结构计算：首先计算Fe81Ga19合金的价电子结构。晶格常数 Fe取9阶，Ga取7阶，经过计算，此时可得到最小误差。得到合金的单键半距键共价电子对数nA＝0.3825，nB＝0.0815。
Fe80.7Ga19Ce0.3合金价电子结构计算：加入0.3at％Ce后，晶格常数Fe取9阶，Ga取7阶，Ce取7阶，经过计算，此时可得到最小误差。得到合金的单键半距键共价电子对数nA＝0.3822，nB＝0.0854。
Fe80.3Ga19Ce0.7合金价电子结构计算：加入0.7at％Ce后，晶格常数Fe取9阶，Ga取7阶，Ce取7阶，经过计算，此时可得到最小误差。得到合金的单键半距键共价电子对数nA＝0.3819，nB＝0.0851。
Fe80Ga19Ce1合金价电子结构计算：加入1at％Ce后，晶格常数Fe取9阶，Ga取9阶，Ce取7阶。Ga的杂化台阶变大，说明过多的Ce对Ga影响较大。经过计算，此时可得到最小误差。得到合金的单键半距键共价电子对数nA＝0.4058，nB＝0.0910。
磁致伸缩性能预测：根据上述计算可知，在Ce掺入量为0.7at％时，合金的单价半距最大，而在A键(111)和B键(100)方向上的键共价电子对数最小，此时合金应具有最大的磁致伸缩系数。即Ce掺入量为0.7at％时，具有最佳的磁致伸缩性能。经测试，掺入Ce量为0、0.3、0.7和1at％时，其磁致伸缩系数分别为25、29、35和20ppm，如图2和图3所示，与计算十分吻合。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
结构建模；
确定晶格常数；
价电子结构计算；
确定单键半距和共价电子对数；
磁致伸缩性能预测。
2.根据权利要求1所述的一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法，其特征在于：所述的确定晶格常数是根据晶格常数与稀土含量之间的a~y关系曲线，提取晶格常数。
3.根据权利要求1所述的一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法，其特征在于：所述的价电子结构计算包括：
选择Fe、Ga杂化台阶分别确定其单键半距和共价电子数；
计算FeGa合金价电子结构；
计算FeGaRE合金价电子结构。
4.根据权利要求3所述的一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法，其特征在于：所述的计算FeGa合金价电子结构，选择Fe、Ga的杂化台阶，根据Ga的原子百分比，用FeGa合金的实验晶格常数，计算键距差，进而计算出合金的单键半距和A、B键的键共价电子对数。
5.根据权利要求3所述的一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法，其特征在于：所述的计算FeGaRE合金价电子结构，选择Fe、Ga、RE杂化台阶，根据Ga、RE的原子百分比，用FeGaRE的晶格常数，计算键距差，最终计算出FeGaRE合金的单键半距和A、B键的键共价电子对数。
6.根据权利要求1所述的一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法，其特征在于，所述的磁致伸缩性能预测具体为：单键半距越大，键共价电子对数越小，合金的磁致伸缩系数越大；并判定该合金的最佳配方。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710229162.6A CN107085656A (zh) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | 一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710229162.6A CN107085656A (zh) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | 一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107085656A true CN107085656A (zh) | 2017-08-22 |
Family
ID=59612860
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710229162.6A Pending CN107085656A (zh) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | 一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107085656A (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0509628A1 (en) * | 1991-02-05 | 1992-10-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magnetostrictive alloys, preparation and uses |
| CN1074488A (zh) * | 1992-09-17 | 1993-07-21 | 首钢总公司 | 高初始磁导率合金的最佳化学成分设计方法 |
| CN2819194Y (zh) * | 2005-07-18 | 2006-09-20 | 吉林大学 | 一种测量铁磁性材料内应力的装置 |
| CN103556046A (zh) * | 2013-11-13 | 2014-02-05 | 北京科技大学 | 一种高磁致伸缩系数Fe-Ga基薄片材料及其制备方法 |
| CN104064774A (zh) * | 2013-03-18 | 2014-09-24 | Tdk株式会社 | 固体锂离子导体以及电化学元件 |
| CN106096279A (zh) * | 2016-06-14 | 2016-11-09 | 西安建筑科技大学 | 一种稀土掺杂改性钛基二氧化锡电极性能的预测方法 |
| CN106503416A (zh) * | 2016-09-22 | 2017-03-15 | 沈阳理工大学 | 一种应用价电子结构理论预测纯铜和铜合金绝热剪切敏感性的方法 |
-
2017
- 2017-04-10 CN CN201710229162.6A patent/CN107085656A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0509628A1 (en) * | 1991-02-05 | 1992-10-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magnetostrictive alloys, preparation and uses |
| CN1074488A (zh) * | 1992-09-17 | 1993-07-21 | 首钢总公司 | 高初始磁导率合金的最佳化学成分设计方法 |
| CN2819194Y (zh) * | 2005-07-18 | 2006-09-20 | 吉林大学 | 一种测量铁磁性材料内应力的装置 |
| CN104064774A (zh) * | 2013-03-18 | 2014-09-24 | Tdk株式会社 | 固体锂离子导体以及电化学元件 |
| CN103556046A (zh) * | 2013-11-13 | 2014-02-05 | 北京科技大学 | 一种高磁致伸缩系数Fe-Ga基薄片材料及其制备方法 |
| CN106096279A (zh) * | 2016-06-14 | 2016-11-09 | 西安建筑科技大学 | 一种稀土掺杂改性钛基二氧化锡电极性能的预测方法 |
| CN106503416A (zh) * | 2016-09-22 | 2017-03-15 | 沈阳理工大学 | 一种应用价电子结构理论预测纯铜和铜合金绝热剪切敏感性的方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 余瑞璜 等: "Fe-V合金α~x曲线偏折、磁性转变及磁致伸缩效应的电子理论分析", 《吉林大学自然科学学报》 * |
| 周廷栋: "FeSiAl片状微粉的制备、结构及性能研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技I辑》 * |
| 姚占全: "稀土掺杂Fe-Ga合金的制备、结构与磁致伸缩性能研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技I辑》 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gong et al. | Current-driven skyrmion motion in granular films | |
| Wang et al. | Effect of electron density on the martensitic transition in Ni–Mn–Sn alloys | |
| Bakaev et al. | Interaction of minor alloying elements of high-Cr ferritic steels with lattice defects: An ab initio study | |
| JP2012241280A5 (ja) | 希土類-鉄-窒素系合金材、希土類-鉄-窒素系合金材の製造方法、希土類-鉄系合金材、及び希土類-鉄系合金材の製造方法 | |
| Burzo et al. | Magnetic properties of TbCo2 compound at high pressures | |
| Zhang et al. | Alloying effects on the elastic parameters of ferromagnetic and paramagnetic Fe from first-principles theory | |
| Wang et al. | Ab initio prediction of the mechanical properties of alloys: The case of Ni/Mn-doped ferromagnetic Fe | |
| Li et al. | Effects of B on the segregation of Mo at the Fe-Cr-NiΣ5 (210) grain boundary | |
| Zhang et al. | Elastic parameters of paramagnetic iron-based alloys from first-principles calculations | |
| Wu et al. | Phase transition and electronic structures of all-d-metal Heusler-type X2MnTi compounds (X= Pd, Pt, Ag, Au, Cu, and Ni) | |
| Marciniak et al. | DFT calculation of intrinsic properties of magnetically hard phase L10 FePt | |
| CN107085656A (zh) | 一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法 | |
| Zagrebin et al. | First-principles and Monte Carlo studies of the Ni2 (Mn, Cr) Ga Heusler alloys electronic and magnetic properties | |
| Xu et al. | Composition-dependent structural and magnetic properties of Ni–Mn–Ga alloys studied by ab initio calculations | |
| Zhang et al. | Anomalous elastic hardening in Fe-Co alloys at high temperature | |
| Suh et al. | Reduction in switching current density for current-induced magnetization switching without loss of thermal stability: Effect of perpendicular anisotropy | |
| Tereshina et al. | Rare earth compounds with compensated magnetic anisotropy and giant magnetostriction | |
| Rodionova et al. | Tailoring of magnetic properties of amorphous ferromagnetic microwires | |
| Kobayashi et al. | Neutron irradiation effects on magnetic minor hysteresis loops in nuclear reactor pressure vessel steels | |
| Cui et al. | Phase-field simulation of magnetic field induced microstructure evolution in γMn-based alloys | |
| Djuhana et al. | Oscillatory transformative domain wall inner structure of the depinning domain wall around a notched ferromagnetic wire | |
| Kim et al. | High frequency characteristics and soft magnetic properties of FeCoBN nanocrystalline films | |
| Belemuk et al. | The coercive behavior and the energy product for multilayers of FeCo and Sm–Fe–N | |
| Burzo et al. | Pressure effects on crystal structures and magnetic properties of RCo5 (R= Y or Gd) compounds | |
| Anikin et al. | Features of Magnetocaloric Effect in Er (Co-Fe) 2 Laves Phases |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170822 |