CN110423932A - 一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料，原子比组成为：TbxDy0.9‑xPr0.1Fe2，其中0≤x≤0.6；制备方法包括：按上述原子比，配比稀土Tb、Dy、Pr和金属Fe；将各原料放置真空电弧熔炼炉腔内的铜坩埚内，于惰气保护下搅拌，电弧熔炼；再切换循环液为0℃后，熔炼材料至熔融状态，并维持一段时间；关闭电弧电流，继续搅拌冷却；最后将材料取出真空退火后，制得磁致伸缩材料。本发明通过引入轻稀土Pr部分替代重稀土Tb和Dy，并通过寻找TbPrFe2和DyPrFe2两种材料的准同型相界，获得具有高磁致伸缩效应的新型材料。其制备过程简单，时间短，降低了能耗成本，具有很强的实用性和广泛的适用性。

Description

一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种磁致伸缩材料及制备方法，具体涉及一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料及制备方法，属于金属磁性材料技术领域。
背景技术
自从发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能器件与设备。而在这一类材料中，稀土磁致伸缩材料因其优异的性能成为该类材料的佼佼者。稀土磁致伸缩材料被广泛用于制造超大功率超声换能器；制造反噪声与噪声控制，反振动与振动控制系统；微位移驱动器等功能器件。稀土磁致伸缩材料，主要是指RFe2(R为稀土)这一类Fe基C15 Laves相稀土金属间化合物。这种Fe基C15 Laves相稀土金属间化合物的优秀代表是Terfenol-D，它的组成成分为Tb0.27Dy0.73Fe2。这种材料的发明人是美国的A.E.Clark等人和H.T.Savage等人，他们已分别申请了美国专利，专利号分别为3949351和4308474。
日本东芝公司在Terfenol-D材料的基础上通过添加少量的Mn替代Fe，得到一种含有少量Mn的超磁致伸缩材料，并且这种材料也申请了专利，专利号为昭55-134150。
但是，上述材料的原材料成分中的稀土金属R都是高纯稀土金属，纯度大于99.9％以上，并且母合金的冶炼和取向多晶样品的制造需要造价很高的设备。因此材料的价格非常昂贵，有“黑色黄金”之称。
另外，由于成分不同，在温度-成分相图上，随着成分的改变，相也会发生改变，那么分离两种相的边界就称为准同型相界。在这种相界附近，两相的晶体结构虽有所不同但差别细微，两相之间自由能相差甚小，体系的热力学状态极不稳定，因此，外界较小的物理外场就可引起材料准同型相界附近较灵敏的物理响应。虽然准同型相界的概念首先在铁电体系中提出，但是研究发现，该概念对于铁磁体系同样适用。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料及制备方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料，原子比组成为：TbxDy0.9-xPr0.1Fe2，其中0≤x≤0.6。
一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、原料配制：按上述的原子比，配比稀土Tb、Dy、Pr和金属Fe；
S2、电弧熔炼：将步骤S1的各原料放置真空电弧熔炼炉腔内，于惰气保护下，搅拌，熔炼；
S3、快冷熔炼：切换循环液为0℃后，熔炼材料至熔融状态，并维持一段时间；关闭电弧电流后，继续搅拌，冷却；
S4、真空退火：将材料取出真空退火后，制得磁致伸缩材料。
上述步骤S1中的稀土Tb、Dy、Pr和金属Fe的纯度不小于99.9％。
上述步骤S2中各原料的放置方式为：稀土在下、过渡金属在上；真空度为10-5Pa，惰气充入至低于大气压0.06-0.09MPa，熔炼次数不小于3次。
上述步骤S3中循环液包括冰水，熔融状态的维持时间为10-20s，继续搅拌时间为5-10s。
上述步骤S4中的退火时间不小于7天。
本发明的有益之处在于：
本发明一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料及制备方法，通过引入轻稀土Pr部分替代重稀土Tb和Dy，并通过寻找TbPrFe2和DyPrFe2两种材料的准同型相界，从而获得具有高磁致伸缩效应的新型材料。
本发明的制备过程简单，制备时间短，原料易获取，节省时间和降低了能耗成本，为寻找高性能磁致伸缩材料提供了一种新的途径，具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明的TbxDy0.9-xPr0.1Fe2(0≤x≤0.6)X射线图谱的222峰；
图2为本发明的TbxDy0.9-xPr0.1Fe2(0≤x≤0.6)X射线图谱的440峰；
图3为本发明的不同成分合金的(λ||-λ⊥)与磁场的关系。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
本发明所使用的原料均为市购。
本发明所使用的仪器设备有：
水冷式铜坩埚电弧熔炼炉：GDJ500C型，
退火炉：KSL-1100X型。
一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料，原子比组成为：TbxDy0.9-xPr0.1Fe2，其中0≤x≤0.6。
一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、原料配制：按上述的原子比，采用纯度为99.9％的稀土Tb、Dy、Pr和纯度为99.9％的过渡金属Fe配比；
S2、电弧熔炼：将步骤S1的各原料放置真空电弧熔炼炉腔内的铜坩埚内，采用稀土在下、过渡金属在上的放置方式；关闭炉腔，用机械泵预抽加分子泵续抽的方式，直到炉腔内真空度到达10-5Pa以下，充入惰气保护气至低于大气压0.06-0.09MPa；采用常规熔炼反复不小于3次；
S3、快冷熔炼：将循环液换为冰水，即采用温度为0℃的冰水作为循环水；电弧熔炼材料至熔融状态，高速电磁搅拌并维持10-20s；关闭电弧电流后，继续搅拌5-10s，冷却至室温；
S4、真空退火：将材料取出，并在1161K的退火温度下进行真空退火不小于7天后，制得磁致伸缩材料。
实施例1
成分为Tb0.2Dy0.7Pr0.1Fe2的合金。
将配制好的原料放入电弧熔炼的铜坩埚内，铜坩埚首先用常温水循环冷却，采用电弧熔炼加电磁搅拌的方式反复熔炼4次，得到成分均匀的合金母材。
将循环水换至0℃的冰水；电弧熔炼合金至熔融状态，高速电磁搅拌熔融的合金材料，维持10s，迅速关闭电弧电流，并维持高速电磁搅拌5s，让合金迅速冷却。
待合金降至室温，将材料放入真空退火炉进行真空退火7天。
图1和图2为x＝0.2即材料化学式为Tb0.2Dy0.7Pr0.1Fe2材料的X射线衍射图谱的(222)峰和(440)峰，从图中可以看出，它的(222)及(440)峰是单峰，表明该成分的化合物的易磁化方向是<100>，也就是说该成分在室温下为四方结构。一般来说，易磁化方向沿<111>轴的菱方相(R)的自发磁致伸缩很大，而易磁化方向沿<100>轴的四方相(T)的自发磁致伸缩很小。
图3是不同成分的(λ||-λ⊥)与磁场的关系，从该图看出，对于Tb0.2Dy0.7Pr0.1Fe2，当磁场为14kOe时，(λ||-λ⊥)约为1500ppm。
实施例2
成分为Tb0.25Dy0.65Pr0.1Fe2的合金。
将配制好的原料放入电弧熔炼的铜坩埚内，铜坩埚首先用常温水循环冷却，采用电弧熔炼加电磁搅拌的方式反复熔炼4次，得到成分均匀的合金母材。
将循环水换至0℃的冰水；电弧熔炼合金至熔融状态，高速电磁搅拌熔融的合金材料，维持10s，迅速关闭电弧电流，并维持高速电磁搅拌5s，让合金迅速冷却。
待合金降至室温，将材料放入真空退火炉进行真空退火7天。
图1和图2为x＝0.25即材料化学式为Tb0.25Dy0.65Pr0.1Fe2材料的X射线衍射图谱的(222)峰和(440)峰，从图中可以看出，它的(222)峰仍然是单峰，但(440)峰发生双重劈裂，形成两个不对称的峰，这表明该成分材料是菱方相和四方相的混合相。
图3是不同成分的(λ||-λ⊥)与磁场的关系，从该图看出，对于Tb0.25Dy0.65Pr0.1Fe2，当磁场为14kOe时，(λ||-λ⊥)约为1600ppm。并且通过对比，我们还可以看到，该成分材料在低场也有效的提高了磁致伸缩性能。
实施例3
成分为Tb0.4Dy0.5Pr0.1Fe2的合金。
将配制好的原料放入电弧熔炼的铜坩埚内，铜坩埚首先用常温水循环冷却，采用电弧熔炼加电磁搅拌的方式反复熔炼4次，得到成分均匀的合金母材。
将循环水换至0℃的冰水；电弧熔炼合金至熔融状态，高速电磁搅拌熔融的合金材料，维持10s，迅速关闭电弧电流，并维持高速电磁搅拌5s，让合金迅速冷却。
待合金降至室温，将材料放入真空退火炉进行真空退火7天。
图3是不同成分的(λ||-λ⊥)与磁场的关系，从该图看出，对于Tb0.2Dy0.7Pr0.1Fe2，当磁场为14kOe时，(λ||-λ⊥)约为1400ppm。
从以上可以看出，成分为Tb0.25Dy0.65Pr0.1Fe2的合金，处于菱方相和四方相的混合相，在此状态下，它的磁致伸缩性能展现出最优的磁致伸缩性质。这也验证了同铁电准同型相界处的压电性能相似，铁磁准同型相界处的性能也最优。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料，其特征在于，原子比组成为：TbxDy0.9-xPr0.1Fe2，其中0≤x≤0.6。
2.根据权利要求1所述的一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、原料配制：按上述的原子比，配比稀土Tb、Dy、Pr和金属Fe；
S2、电弧熔炼：将步骤S1的各原料放置真空电弧熔炼炉腔内的铜坩埚内，于惰气保护下，搅拌，熔炼；
S3、快冷熔炼：切换循环液为0℃后，熔炼材料至熔融状态，并维持一段时间；关闭电弧电流后，继续搅拌，冷却；
S4、真空退火：将材料取出真空退火后，制得磁致伸缩材料。
3.根据权利要求2所述的一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的稀土Tb、Dy、Pr和金属Fe的纯度不小于99.9％。
4.根据权利要求2所述的一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中各原料的放置方式为：稀土在下、过渡金属在上；真空度为10-5Pa，惰气充入至低于大气压0.06-0.09MPa，熔炼次数不小于3次。
5.根据权利要求2所述的一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中循环液包括冰水，熔融状态的维持时间为10-20s，继续搅拌时间为5-10s。
6.根据权利要求2所述的一种轻稀土Pr掺杂的磁致伸缩材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中的退火时间不小于7天。
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