CN114231852B - 一种磁致伸缩薄带材料、制备方法及应用 - Google Patents

一种磁致伸缩薄带材料、制备方法及应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114231852B
CN114231852B CN202111425032.2A CN202111425032A CN114231852B CN 114231852 B CN114231852 B CN 114231852B CN 202111425032 A CN202111425032 A CN 202111425032A CN 114231852 B CN114231852 B CN 114231852B
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetostrictive
magneto
thin strip
piezoelectric ceramic
thickness
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.)
Active
Application number
CN202111425032.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114231852A (zh
Inventor
和正华
朱晓飞
沙玉辉
马延强
陈立佳
左良
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenyang University of Technology
Original Assignee
Shenyang University of Technology
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenyang University of Technology filed Critical Shenyang University of Technology
Priority to CN202211135552.4A priority Critical patent/CN115522029B/zh
Priority to CN202111425032.2A priority patent/CN114231852B/zh
Publication of CN114231852A publication Critical patent/CN114231852A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114231852B publication Critical patent/CN114231852B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/0221—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the working steps
    • C21D8/0226—Hot rolling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/0221—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the working steps
    • C21D8/0236—Cold rolling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/0247—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/001—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing N
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/002—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing In, Mg, or other elements not provided for in one single group C22C38/001 - C22C38/60
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/005—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing rare earths, i.e. Sc, Y, Lanthanides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/008—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing tin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/12—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing tungsten, tantalum, molybdenum, vanadium, or niobium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/16—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/60—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing lead, selenium, tellurium, or antimony, or more than 0.04% by weight of sulfur
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R21/00—Arrangements for measuring electric power or power factor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/22—Methods relating to manufacturing, e.g. assembling, calibration
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

本发明属于磁机电发电领域，涉及一种磁致伸缩薄带材料、制备方法及应用，采用低成本轧制退火工艺制备具有强织构Fe‑Ga合金磁致伸缩薄带，进而与压电陶瓷材料组装成磁机电发电器件，用于独立供电的物联网和低功耗电子产品的无线传感器网络。该装置由磁致伸缩薄带、各向异性单晶与多晶压电陶瓷材料、导电层、柔性绝缘膜、配重块和定位部分组成。本发明的磁机电发电装置可将电力传输线和电器设备周围的低频小磁场作为传感器电源的供电系统。本发明磁机电发电装置的发电功率高达4.0mW/cm3。

Description

一种磁致伸缩薄带材料、制备方法及应用
技术领域
本发明属于磁机电发电领域，特别涉及一种由磁致伸缩薄片材料、制备方法 及与压电陶瓷的磁机电耦合效应为核心的自供电装置。
背景技术
工业4.0需要利用云计算和物联网(IoT)监控工业制造过程中结构健康状态 从而增强决策能力。传统电池的使用寿命限制了物联网电子产品的开发与应用， 因而需要开发具有独立电源系统的自供电无线传感器网络(WSN)。在建筑物、 架空线和电子设备等电力传输基础设备，电力传输电缆等可在50-60Hz的固定频 率下产生低磁场，故电力传输设备周围分布因电流产生无处不在的磁场，这些磁 场可为传感器节点提供持续且充足的电力。但是电力传输电缆磁场很低，利用传 统磁电复合材料或者电磁采集器的转换能量效率低，无法充分利用这些低频的磁 场。
磁机电发电机包含磁致伸缩各向异性材料和压电陶瓷组成的悬臂复合结构， 能够在几个奥斯特磁场下产生几百微瓦的功率输出，可作为用于低场下自供电系 统。文献报道了利用Ni作为磁致伸缩材料与压电陶瓷组合成磁机电发电机，能 够实现500-700Oe磁场强度下发电(Ryu J,Kang J-E,Zhou Y,Choi S-Y,Yoon W-H, Park D-S,Choi J-J,Hahn B-D,Ahn C-W,Kim J-W,Kim Y-D,Priya S,Lee S Y,Jeong S,Jeong D-Y,Ubiquitousmagneto-mechano-electric generator,Energ Environ Sci, 2015,8(8),2402-2408)。对于目前使用的磁致伸缩材料Ni等材料而言，由于其 磁致伸缩系数较低，从而限制了磁机电发电机的输出功率。因此，需要开发一种 具有更高磁致伸缩系数的材料，强化压电与磁致伸缩的磁机电耦合作用，来提高 磁机电发电机功率。
Terfenol-D是一种广泛应用的磁致伸缩材料，能够在1kOe的外磁场下产生 高达2000ppm的磁致伸缩系数，但是其本征脆性显著制约了其在低频柔性结构器 件中的应用。Fe-Ga合金是在较低外场条件下沿<100>方向具有400ppm的磁致伸 缩系数(Clark A E,Wun-Fogle M,Restorff J B,Lograsso T A,Cullen J R,Effect of quenching on themagnetostriction of Fe1-xGax(0.13<x<0.21),IEEE Trans Magn, 2001,37(4),2678-2680)，同时具有良好的机械性能，因此可以利用Fe-Ga合金 制备成具有优异磁致伸缩性能的薄片(Na S-M,Flatau A B,Deformation behavior and magnetostriction ofpolycrystalline Fe-Ga-X(X＝B,C,Mn,Mo,Nb,NbC)alloys,J Appl Phys,2008,103(7).07D304)。具有优异延展性的Fe-Ga合金薄片可与压电 陶瓷组装成磁致伸缩效应与压电效应耦合的磁机电发电机，能够在弱磁场下提供 超高机电(ME)系数的功率密度。因此，基于Fe-Ga合金薄片的磁机电发电机 能够在低场下形成自供电系统，有望应用于物联网和无线WSN系统。
Annapureddy等人报道了利用0.2mm厚PMN–PZ–PT压电单晶复合材料和 0.45mm厚的Fe80.19Ga18.81NbC合金薄片组成的磁机电发电机，用于带有物联 网传感器的智能手表的开发(Annapureddy V,Na S M,Hwang G T,Kang M G, Sriramdas R,Palneedi H,Yoon WH,Hahn B D,Kim J W,Ahn C W,Park D S,Choi J J,Jeong D Y,Flatau AB,Peddigari M,Priya S,Kim K H,Ryu J,Exceeding milli-watt powering magneto-mechano-electricgenerator for standalone-powered electronics, Energ Environ Sci,2018,11(4),818-829)。但是较大厚度的Fe-Ga合金薄片需要 更大的相应磁场，降低器件发电灵敏度。如采用具有相同磁致伸缩系数且厚度更 薄的Fe-Ga合金薄带，可在更低电流条件下获得更高的发电效率。
虽然专利CN108251753B，公开了一种高磁致伸缩系数Fe-Ga基薄带及其制 备方法，但该薄带的制备过程较为繁琐。
综上所述，采用更加简单的工艺流程，制备厚度更薄，磁致伸缩系数更高的 薄带，应用于更低磁场强度、具有更高发电功率且性能稳定的Fe-Ga巨磁致伸缩 材料与压电陶瓷为核心的磁机电发电器件是目前工业生产和应用中亟需解决的 一个关键问题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，提出了利用更加简单的工艺流程制备得到 一种新型的磁致伸缩薄片材料。并针对现有的物联网传统电池系统存在的问题， 提出一种可采集电力传输设备和电子设备周围的杂散磁场能量，用于工业物联网 系统产品的自供电系统。本发明提出了一种利用Fe-Ga合金磁致伸缩与压电陶瓷 耦合的磁机电发电器件，设计思路如下：
利用低磁场下具有高灵敏度特性和优异延展度的Fe-Ga合金薄片可将交流弱 磁场转变为可探测的磁致伸缩应变，进而利用压电陶瓷的压电效应将其转变为电 压，从而实现磁机电耦合效应；具有强Goss织构特征的掺杂微量稀土元素Fe-Ga薄片能够以0.1～0.25mm厚度在弱磁场条件下产生240-380ppm的应变，结合择优 织构压电陶瓷，可在小磁场下实现磁机电发电装置的高发电功率。
本发明的技术方案如下：
一种磁致伸缩薄带材料，包括Fe(100-x)Gax，其中14≤x≤27at.％；各组分 的质量百分含量为：Ga：16.9～31.6％，C：0.001～0.10％，N：0.002～0.05％，Nb： 0.02～1.0％，V：0.001～0.30％，Mn：0.05～0.50％，Cu：0.005～0.45％，S：0.005～0.05％， Mo：0.01～0.50％，余量为Fe、稀土元素和微量元素以及其它不可避免的杂质；
其中稀土元素为Tb：0.15～0.30％，Dy：0.005～0.30％，Ho：0.005～0.30％， Ce：0.005～0.30％，Gd：0.005～0.30％，La：0.005～0.30％，Pr：0.005～0.30％，Er： 0.005～0.30％中的一种或多种；其中微量元素为Bi：0.005～0.10％，Sb：0.005～0.20％， Sn：0.05～0.20％，B：0.005～0.10％中的一种或多种。
所述的磁致伸缩薄带由平均晶粒尺寸为5-15mm的Goss晶粒组成，其饱和 磁致伸缩系数为240-380ppm；厚度为0.1～0.25mm。
所述的磁致伸缩薄带材料的制备方法，为如下两种制备方法中的一种：
一次轧制退火法：冶炼、锻造、热轧、一次温冷轧、初次再结晶退火和高温 退火；
二次轧制退火法：冶炼、锻造、热轧、一次温冷轧、中间退火、二次冷轧、 初次再结晶退火和高温退火。
上述的磁致伸缩薄带材料的应用，用于自供电电子设备的磁机电发电装置， 该装置包括磁致伸缩薄带、各向异性压电陶瓷、导电层、柔性绝缘层、配重块、 定位板和紧固螺栓；
按照从下到上分别为磁致伸缩薄带、柔性绝缘层、导电层、各向异性压电陶 瓷、导电层、柔性绝缘层的顺序进行组装，使用环氧树脂进行粘接；粘接后的整 体结构一端通过定位板和紧固螺栓固定，另一端磁致伸缩薄带延长部分上放置配 重块；
磁机电发电装置在外部交流磁场下，磁致伸缩薄带产生磁致伸缩导致悬臂梁 变形，配重块可加大悬臂梁的变形幅度，各向异性压电陶瓷受到应力产生电压， 由导电层输出。
通过由磁机电发电装置、全桥整流器、平滑电容器和可变负载电阻器组成电 路，可将磁机电发电装置产生的交流信号转变为直流信号。
上述各向异性压电陶瓷可为单晶<110>取向压电陶瓷PZT (Pb(Zr0.52Ti0.48)O3)、单晶<110>取向压电陶瓷PMN(Pb(Mn1/3Nb2/3)O3)、 单晶<110>取向压电陶瓷PMN-PZ-PT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbZrO3–PbTiO3)中 任意一种；
进一步地，所述各向异性压电陶瓷也可为多晶强<110>取向压电陶瓷PZT (Pb(Zr0.52Ti0.48)O3)、多晶强<110>取向压电陶瓷PMN(Pb(Mn1/3Nb2/3)O3)、 多晶强<110>取向压电陶瓷PMN-PZ-PT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbZrO3–PbTiO3) 中任意一种；
进一步地，所述各向异性压电陶瓷厚度为0.15-0.35mm；
导电层可为2-5μm的Cu、Ag等薄膜；
柔性绝缘层可选用10-50μm的聚酰亚胺(PI)或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)；
配重块选用3-6g的块状钕铁硼或钐钴永磁材料。
涉及一种磁致伸缩薄带材料、制备方法及应用，采用低成本轧制退火工艺制 备具有强织构Fe-Ga合金磁致伸缩薄带，进而与压电陶瓷材料组装成磁机电发电 器件，用于独立供电的物联网和低功耗电子产品的无线传感器网络。
本发明的有益效果为：本发明采用低成本轧制退火工艺制备具有强织构薄规 格的Fe-Ga合金磁致伸缩薄带，以该磁致伸缩薄带材料与压电陶瓷的磁机电耦合 效应为核心，组装成磁机电发电器件，实现了将电力传输线和电器设备周围的低 频小磁场作为传感器电源的供电系统。与传统传感器电池电源相比，可实现独立 供电。相对传统磁电复合材料或者电磁采集器，该装置能够感应电力传输设备与 电器电力周围分布的低频磁场，可为传感器提供持续且充足的电力，磁机转换效 率高，较小磁场下就可输出高电压。同时装置发电力强，发电功率高，应用前景 更广泛。
综上，本发明采用低成本轧制退火工艺制备具有强织构薄规格的Fe-Ga合金 磁致伸缩薄带，并基于该磁致伸缩薄带和压电陶瓷的磁机电耦合效应，可将电力 传输设备周围无处不在的低频小磁场作为传感器充足且持续的电力来源。
附图说明
图1为本发明中磁机电磁机电发电装置示意图。
图2为测量磁机电发电装置输出性能的电路原理图。
图3为本发明中磁机电发电装置的磁致伸缩薄带的制备方法流程示意图。
图4为本发明实施例1的表1中序号1磁致伸缩薄带经过高温退火后的取向 和图ODF横
Figure BDA0003377922480000061
截面图。
图5为本发明中实施例2中序号3的磁致伸缩薄带的磁致伸缩系数。
图6为本发明中实施例3中表5中磁机电发电机中磁致伸缩薄带厚度对功率 密度的影响规律。
图7为本发明中实施例5中序号2的外部电阻对磁机电发电机功率密度的影 响规律。
具体实施方式
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见的，下面描述中的 附图仅仅是本申请中记载的部分实施例。
下面结合实例对本发明的技术方案作进一步具体说明。
实施例1：
巨磁致伸缩Fe-Ga薄片其成分按照重量百分比含有：C：0.001％，N：0.01％， Nb：0.50％，V：0.001％，Mn：0.50％，Cu：0.005％，S：0.005％，Mo：0.50％， Sb：0.2％，Tb：0.15％，余量为Fe和其它不可避免的杂质，Ga含量如表1所示 有所不同。
上述巨磁致伸缩Fe-Ga薄片通过在1450℃冶炼浇注，随后在1200～1250℃热 轧获得2～2.5mm厚的热轧板，在20～200℃冷轧至1mm，随后在950℃保温30min 后在室温下冷轧至0.25mm。冷轧薄片在800℃退火10min后，再以30℃/h升温 至1050℃进行高温退火，退火气氛为体积比为50％N2+50％H2的混合气氛，最 终晶粒尺寸和磁致伸缩系数如表1所示。图4为序号1的Fe81Ga19薄片经过高 温退火后的取向和图ODF横
Figure BDA0003377922480000072
截面图。
压电陶瓷片分别选用厚度为0.2mm的单晶压电陶瓷，导电层为2μm的Ag， 配重块为3g的钕铁硼方块，柔性绝缘层为20μm的聚酰亚胺(PI)。图5为实施 例1中序号4实验的单晶PZT压电陶瓷的XRD图谱。
表1为不同元器件组成
Figure BDA0003377922480000071
Figure BDA0003377922480000081
表2为上述磁机电装置在频率为60Hz，强度为600Oe磁场下在得到电压、 电流和功率等性能，其中外加电阻为1MΩ。从表1-2可知，Fe-Ga薄片的磁机电 发电装置功率密度明显高于Ni薄片(对比实验14)；晶粒尺寸的大小也是影响磁 机电发电装置的发电效率；Fe-Ga合金的磁致伸缩系数与功率密度的变化规律一 致，充分说明提高磁致伸缩系数是增大磁机电发电机性能的关键。
同时从表1-2可知，当Fe-Ga合金薄片组成成分重量百分比含量处于本发明 范围内(序号1-10)，获得240～380ppm范围的磁致伸缩系数时，磁机电发电装 置的发电效率高。反之，当Fe-Ga合金薄带组成成分重量百分比含量超出本发明 范围(对比例11～13)，则磁致伸缩较低，磁机电发电装置的发电效率低。
表2为磁机电发电器件的性能对比表。
Figure BDA0003377922480000082
Figure BDA0003377922480000091
实施例2
当采用多晶压电陶瓷片与Fe-Ga磁致伸缩薄片组装磁机电发电装置时，依然 也能够得到较高的发电效率。其中，巨磁致伸缩Fe-Ga薄片其成分按照重量百分 比含有：C：0.05％，N：0.05％，Nb：0.050％，V：0.30％，Mn：0.05％，Cu：0.45％， S：0.05％，Mo：0.01％，Dy：0.10％，Sn：0.005％，B：0.005％，余量为Fe和 其它不可避免的杂质，Ga含量如表3所示有所不同。
上述巨磁致伸缩Fe-Ga薄片通过在1500℃冶炼浇注，随后在1250～1300℃热 轧获得10～1.5mm厚的热轧板，在200～300℃冷轧至0.18mm。冷轧薄片在850℃ 退火5min后，再以25℃/h的升温速率，升温至1100℃进行高温退火，退火气氛 为体积比为75％N2+25％H2的混合气氛，最终薄片的平均晶粒尺寸为10mm。
压电陶瓷片分别选用厚度为0.25mm的多晶压电陶瓷，具体的选择如表1所 示。导电层为4μm的Ag或Cu，配重块为5g的钐钴永磁方块，柔性绝缘层为30μm 的PI或PET，具体如表3所示。
表3为不同元器件组成
Figure BDA0003377922480000101
表4为表3中磁机电装置在频率为80Hz，强度为600Oe磁场下在得到电压、 电流和功率等性能，其中外加电阻为0.8MΩ。多晶压电陶瓷与Fe-Ga薄片组成磁 机电发电装置功率密度明显高于多晶压电陶瓷与Ni薄片组成的磁机电发电机； 虽然采用多晶压电陶瓷时，发电能力有所降低，但是依然明显超过单晶PZT与Ni组成的磁机电发电机。利用多晶压电陶瓷与Fe-Ga薄片组成的磁机电发电装置 成本更低且制备方法更简单高效，并且依然具有较高的发电效率，因此更广阔的 应用前景。
表4为磁机电发电机的性能对比表。
编号 输出电压(V) 输出电流(μA) 功率密度(mW/cm<sup>3</sup>)
1 65 120 2.352
2 54 110 2.08
3 50 98 1.918
4 54 98 1.799
5 47 111 1.793
6 53 120 2.147
7 42 109 1.729
8 41 135 1.987
对比例9 6.5 7 0.011
对比例10 4.5 12 0.013
实施例3
本实施例中巨磁致伸缩Fe-Ga薄片其成分按照重量百分比含有：C：0.10％， N：0.001％，Nb：0.20％，V：0.30％，Mn：0.10％，Cu：0.25％，S：0.02％， Mo：0.25％，Ho：0.20％，Sn：0.20％，B：0.1％，余量为Fe和其它不可避免的 杂质，Ga含量如表5所示。
上述巨磁致伸缩Fe-Ga薄片通过在1400℃冶炼浇注，随后在1100～1150℃热 轧获得1.5～2mm厚的热轧板，在20～200℃冷轧至0.9mm，随后在950℃保温30min 后在室温下冷轧至0.1～0.25mm。冷轧薄片在850℃退火15min后，再以20℃/h 升温至1050℃进行高温退火，退火气氛为体积比为25％N2+75％H2的混合气氛。
压电陶瓷片分别选用厚度为0.15mm的单晶压电陶瓷，具体的选择如表1所 示。导电层为5μm的Cu，配重块为6g的钕铁硼永磁方块，柔性绝缘层为50μm 的PET，具体如表5所示。
表5不同元器件组成
Figure BDA0003377922480000121
表6为表5中磁机电装置在频率为100Hz，强度为500Oe磁场下在得到电压、 电流和功率等性能，其中外加电阻为0.5MΩ。图7为表5序号4实验中Fe81Ga19 薄片组装磁机电发电机中Fe81Ga19薄片厚度对功率密度的影响规律。
据表5，6可知，Fe-Ga薄片的厚度也决定了磁机电发电装置的发电效率。在0.15mm厚的压电陶瓷条件下，Fe-Ga薄片厚度从0.25降低至0.1mm时，发电功 率密度逐渐提高。而厚度进一步降低时，发电功率密度降低。同时，当Fe-Ga合 金薄片厚度处于本发明范围内(序号1-6)时，磁机电发电装置的发电效率高。 反之，当Fe-Ga合金薄片厚度超出本发明范围(对比例7～8)，磁机电发电装置的 发电效率低。
表6磁机电发电机的性能对比表
编号 输出电压(V) 输出电流(μA) 功率密度(mW/cm<sup>3</sup>)
1 69 150 3.332
2 79 125 3.660
3 75 130 3.780
4 68 160 3.408
5 71 124 3.390
6 73 127 3.748
对比例7 1.8 20 0.009
对比例8 2.7 18 0.022
实施例4
磁机电发电机的功率包含质量效应、磁致伸缩层和质量块与磁致伸缩层的交 互作用，其中分别约贡献30％、20％和50％。同时随着厚度的变化，占比逐渐发 生变化。因此，质量块的材质和重量变化影响磁机电装置的发电功率。
本实施例中巨磁致伸缩Fe-Ga薄片其成分按照重量百分比含有：C：0.04％， N：0.009％，Nb：0.25％，V：0.12％，Mn：0.30％，Cu：0.15％，S：0.01％，Mo：0.4％，Ce：0.10％,Pr：0.10％，Sn：0.20％，Bi：0.1％，余量为Fe和其它不 可避免的杂质，Ga含量如表7所示。
上述巨磁致伸缩Fe-Ga薄片通过在1550℃冶炼浇注，随后在1200～1250℃热 轧获得2.5～3.0mm厚的热轧板，在20～200℃冷轧至1.2mm，随后在1000℃保温 10min后在室温下冷轧至0.20mm。冷轧薄片在800℃退火10min后，在1000℃ 保温120min进行高温退火，退火气氛为体积比为80％N2+20％H2的混合气氛， 最终平均晶粒尺寸为8mm。压电陶瓷片分别选用厚度为0.3mm的单晶PZT压电 陶瓷，具体的选择如表1所示。导电层为3μm的Cu，柔性绝缘层为40μm的PET， 选择不同材质和重量的配重块，具体如表8所示。
表7磁机电发电装置的不同元器件组成
Figure BDA0003377922480000141
表8为表7中磁机电装置在频率为60Hz，强度为600Oe磁场下在得到电压、 电流和功率等性能，其中外加电阻为1.5MΩ。据表7-8可知，配重块显著影响了 磁机电发电装置的发电效率。当配重块存在时磁机电发电装置的发电装置明显高 于无配重块，而当配重块为钕铁硼或钐钴永磁时，磁机电发电装置的发电效率进 一步提高。因此，本发明中提出选择钕铁硼或钐钴等永磁铁作为配重块，可明显 干山磁机电发电装置的发电效率。
表8磁机电发电机的性能对比表
编号 输出电压(V) 输出电流(μA) 功率密度(mW/cm<sup>3</sup>)
1 195 75 3.658
2 182 59 2.739
3 135 72 2.671
4 154 77 3.004
5 90 55 1.402
6 80 55 1.340
对比例7 65 30 0.461
实施例5
磁机电发电机的功率输出是通过特定外部电阻下获得的电流和电压输出相 乘来计算的，但是在直流电压在高负载电阻下饱和后，产生电流随着电阻的增加 而减小，因此要获得最大的输出功率，需要选择合适的外加电阻。其中巨磁致伸 缩Fe-Ga薄片其成分按照重量百分比含有：C：0.03％，N：0.02％，Nb：0.30％， V：0.15％，Mn：0.10％，Cu：0.10％，S：0.02％，Mo：0.3％，Tb：0.30％，La： 0.05％，Bi：0.005％，余量为Fe和其它不可避免的杂质，Ga含量如表9所示。
上述巨磁致伸缩Fe-Ga薄片通过在1500℃冶炼浇注，随后在1150～1200℃热 轧获得2.3～3.0mm厚的热轧板，在20～200℃冷轧至1.0mm，随后在975℃保温 25min后在室温下冷轧至0.23mm。冷轧薄片在850℃退火5min后，再以10℃/h 升温至1100℃进行高温退火，退火气氛为体积比为90％N2+10％H2的混合气氛， 最终平均晶粒尺寸为12mm。
压电陶瓷片分别选用厚度为0.35mm的单晶PMN-PZ-PT压电陶瓷，具体的 选择如表1所示。导电层为3μm的Ag，柔性绝缘层为50μm的PI，选用5g的块 体钕铁硼永磁体。图7为本实施例中序号2实验中外部电阻与磁机电发电机输出 功率密度函数曲线。
表9为不同成分和不同磁致伸缩系数的磁机电发电机在频率为60Hz，强度 为600Oe磁场下在得到电压、电流和功率等性能数据。据表9可知，当外加电阻 不合适时，导致直流的输出电压和电流出现较大的差异，导致输出功率明显降低。 当输出电阻在0.5-5MΩ时，磁机电发电装置能够获得较大的输出功率密度。
表9磁机电发电机Fe-Ga合金成分及性能对比表
Figure BDA0003377922480000161
实施例6
为了验证本发明器件在实际中使用情况，需要将磁机电发电机置于电力传输 设备附近，测试其发电效率。其中，巨磁致伸缩Fe-Ga薄片其成分按照重量百分 比含有：C：0.02％，N：0.01％，Nb：0.40％，V：0.25％，Mn：0.20％，Cu：0.30％， S：0.025％，Mo：0.25％，Tb：0.005％，Er：0.005％，Bi：0.10％，余量为Fe和 其它不可避免的杂质，Ga含量如表10所示。该巨磁致伸缩Fe-Ga薄片通过在1450℃ 冶炼浇注，随后在1300℃热轧获得1.8～2.5mm厚的热轧板，在20～300℃冷轧至 0.8mm，随后在1000℃保温15min后在室温下冷轧至0.15mm。冷轧薄片在800℃ 退火20min后，在950℃进行180min高温退火，退火气氛为体积比为氮气，最 终平均晶粒达到10mm。
压电陶瓷片选用厚度为0.25mm的单晶压电陶瓷PZT，导电层为2μm的Cu， 柔性绝缘层为20μm的PET，选择5g的钐钴永磁体配重块，具体如表10所示。 表10为不同成分的磁机电发电机置于常用民用50Hz的220V电线周围，距离分 别为10mm和20mm，外加电阻为0.8MΩ。
据表10可知，本发明的磁机电发电装置能够在常规传输电线周围20mm以 内，输出电压超过40V，输出电流超过145μA，最终功率密度可达26-3.9mW/cm3。 而利用Ni为磁致伸缩元件的对比试验9和10，其输出电压、电流和功率密度均 很小。因此，本发明的磁机电发电装置可有效利用民用电力传输线路以及电器周 围的杂散磁场进行发电，用于物联网、电子器件等传感器的供电系统。
Figure BDA0003377922480000171
Figure BDA0003377922480000181
表10磁机电发电机的组成与性能对比表
目前，国内外市场对兼具大磁致伸缩系数与优良力学性能的Fe-Ga合金薄片 的应用十分迫切，本发明采用Fe-Ga合金薄片与压电陶瓷组装制备的磁机电自供 电系统，可用于物联网、电机电器等传感器条件，且发电功率密度优于现有报道， 因而具有很好的推广应用前景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明 的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之 内。

Claims (8)

1.一种磁致伸缩薄带材料的制备方法，其特征在于，巨磁致伸缩Fe-Ga薄片通过在1400~1550℃冶炼浇注，随后在1100～1300℃热轧获得1.5～3mm厚的热轧板，在20～300℃冷轧至0.8~1.2mm，随后在950~1000℃保温10~30min后在室温下冷轧至0.1～0.25mm，冷轧薄片在800~850℃退火5~20min后，再进行高温退火，退火气氛为体积比为50％N2+50％H2的混合气氛或者25％N2+75％H2的混合气氛或者80％N2+20％H2的混合气氛或者90％N2+10％H2的混合气氛；所述高温退火为以10~30℃/h升温至1050~1100℃或在950~1000℃保温120~180min；
采用所述制备方法得到的磁致伸缩薄带材料，包括Fe（100-x）Gax，其中14≤x≤27 at.%；各组分的质量百分含量为：Ga：16.9~31.6%，C：0.001~0.10%，N：0.002~0.05%，Nb：0.02~1.0%，V：0.001~0.30%，Mn：0.05~0.50%，Cu：0.005~0.45%，S：0.005~0.05％，Mo：0.01~0.50%，余量为Fe、稀土元素和微量元素以及其它不可避免的杂质；
其中稀土元素为Tb：0.15~0.30%，Dy：0.005~0.30%，Ho：0.005~0.30%，Ce：0.005~0.30%，Gd：0.005~0.30%，La：0.005~0.30%，Pr：0.005~0.30%，Er：0.005~0.30%中的一种或多种；其中微量元素为Bi：0.005~0.10%，Sb：0.005~0.20%，Sn：0.05~0.20%，B：0.005~0.10%中的一种或多种；磁致伸缩薄带由平均晶粒尺寸为5-15mm的Goss晶粒组成，其饱和磁致伸缩系数为240-380ppm；厚度为0.1~0.25mm。
2.采用权利要求1所述方法制备得到的磁致伸缩薄带材料。
3.根据权利要求2所述的磁致伸缩薄带材料，其特征在于，各成分质量百分含量为：C：0.001%，N：0.01%，Nb：0.50%，V：0.001%，Mn：0.50%，Cu：0.005%，S：0.005％，Mo：0.50%，Sb：0.2%，Tb：0.15%，余量为Fe81Ga19及其它不可避免的杂质；厚度为0.25mm，饱和磁致伸缩系数为380ppm。
4.权利要求2-3任一所述的磁致伸缩薄带材料的应用，其特征在于，用于自供电电子设备的磁机电发电装置，该装置包括磁致伸缩薄带、各向异性压电陶瓷、导电层、柔性绝缘层、配重块、定位板和紧固螺栓；
按照从下到上分别为磁致伸缩薄带、柔性绝缘层、导电层、各向异性压电陶瓷、导电层、柔性绝缘层的顺序进行组装，使用环氧树脂进行粘接；粘接后的整体结构一端通过定位板和紧固螺栓固定，另一端磁致伸缩薄带延长部分上放置配重块；
磁机电发电装置在外部交流磁场下，磁致伸缩薄带产生磁致伸缩导致悬臂梁变形，配重块可加大悬臂梁的变形幅度，各向异性压电陶瓷受到应力产生电压，由导电层输出。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述各向异性压电陶瓷为单晶<110>取向压电陶瓷PZT、单晶<110>取向压电陶瓷PMN、单晶<110>取向压电陶瓷PMN-PZ-PT、多晶强<110>取向压电陶瓷PZT、多晶强<110>取向压电陶瓷PMN、多晶强<110>取向压电陶瓷PMN-PZ-PT中的一种；所述压电陶瓷厚度为0.15-0.35mm。
6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述导电层为金属薄膜，厚度为2-5μm。
7.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述柔性绝缘层选用聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二酯材料；所述柔性绝缘层材料的厚度为10-50μm。
8.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述配重块为钕铁硼或钐钴永磁材料；所述配重块 质量为3-6g。
CN202111425032.2A 2021-11-26 2021-11-26 一种磁致伸缩薄带材料、制备方法及应用 Active CN114231852B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211135552.4A CN115522029B (zh) 2021-11-26 2021-11-26 磁机电发电装置、组装其的巨磁致伸缩Fe-Ga薄片材料的制备方法和测试方法
CN202111425032.2A CN114231852B (zh) 2021-11-26 2021-11-26 一种磁致伸缩薄带材料、制备方法及应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111425032.2A CN114231852B (zh) 2021-11-26 2021-11-26 一种磁致伸缩薄带材料、制备方法及应用

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211135552.4A Division CN115522029B (zh) 2021-11-26 2021-11-26 磁机电发电装置、组装其的巨磁致伸缩Fe-Ga薄片材料的制备方法和测试方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114231852A CN114231852A (zh) 2022-03-25
CN114231852B true CN114231852B (zh) 2022-10-11

Family

ID=80751568

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111425032.2A Active CN114231852B (zh) 2021-11-26 2021-11-26 一种磁致伸缩薄带材料、制备方法及应用
CN202211135552.4A Active CN115522029B (zh) 2021-11-26 2021-11-26 磁机电发电装置、组装其的巨磁致伸缩Fe-Ga薄片材料的制备方法和测试方法

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211135552.4A Active CN115522029B (zh) 2021-11-26 2021-11-26 磁机电发电装置、组装其的巨磁致伸缩Fe-Ga薄片材料的制备方法和测试方法

Country Status (1)

Country Link
CN (2) CN114231852B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114231852B (zh) * 2021-11-26 2022-10-11 沈阳工业大学 一种磁致伸缩薄带材料、制备方法及应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101465406A (zh) * 2009-01-16 2009-06-24 北京科技大学 高性能多晶织构Fe-Ga基磁致伸缩薄片材料及其制备方法
CN104092347A (zh) * 2014-07-11 2014-10-08 沈阳工业大学 一种磁致伸缩振动发电装置
CN108251753A (zh) * 2018-02-08 2018-07-06 东北大学 一种高磁致伸缩系数Fe-Ga基薄带及其制备方法
CN109026508A (zh) * 2018-08-14 2018-12-18 沈阳工业大学 一种磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置
JP2020123629A (ja) * 2019-01-29 2020-08-13 住友金属鉱山株式会社 振動発電デバイスの製造方法及び磁歪部品の製造方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001055687A2 (en) * 2000-01-28 2001-08-02 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy MAGNETOSTRICTIVE DEVICES AND METHODS USING HIGH MAGNETOSTRICTION, HIGH STRENGTH FeGa ALLOYS
CN103014594B (zh) * 2012-12-26 2014-11-19 北京科技大学 一种高性能磁致伸缩薄板带制备方法
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
JP2019029502A (ja) * 2017-07-31 2019-02-21 国立大学法人東北大学 振動発電用磁歪材料
CN107739801B (zh) * 2017-10-10 2019-03-15 北京科技大学 一种利用三次再结晶制备Fe-Ga(Al)磁致伸缩极薄带的方法
CN110284072A (zh) * 2019-07-26 2019-09-27 高向向 一种Fe-Ga基薄带合金材料及其节能制备工艺和应用
CN114231852B (zh) * 2021-11-26 2022-10-11 沈阳工业大学 一种磁致伸缩薄带材料、制备方法及应用

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101465406A (zh) * 2009-01-16 2009-06-24 北京科技大学 高性能多晶织构Fe-Ga基磁致伸缩薄片材料及其制备方法
CN104092347A (zh) * 2014-07-11 2014-10-08 沈阳工业大学 一种磁致伸缩振动发电装置
CN108251753A (zh) * 2018-02-08 2018-07-06 东北大学 一种高磁致伸缩系数Fe-Ga基薄带及其制备方法
CN109026508A (zh) * 2018-08-14 2018-12-18 沈阳工业大学 一种磁致伸缩薄片浮子式波浪振动发电装置
JP2020123629A (ja) * 2019-01-29 2020-08-13 住友金属鉱山株式会社 振動発電デバイスの製造方法及び磁歪部品の製造方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Fe_(81)Ga_(19)二元合金薄板的再结晶织构与磁致伸缩性能;付全等;《金属学报》;20170111(第01期);第92-98页 *
悬臂式铁镓合金振动能量收集的存储方法;刘慧芳等;《电工技术学报》;20200722(第14期);第3138-3139页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114231852A (zh) 2022-03-25
CN115522029B (zh) 2024-05-17
CN115522029A (zh) 2022-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kolano et al. Amorphous soft magnetic materials for the stator of a novel high-speed PMBLDC motor
KR101102473B1 (ko) 금속 자기 요소 제조 방법, 저철손의 일체형 무정형 금속 요소, 및 축방향 자속 전기 모터
JP6151185B2 (ja) 非接触受電装置用磁性シートとそれを用いた非接触受電装置、電子機器、並びに非接触充電装置
CN114231852B (zh) 一种磁致伸缩薄带材料、制备方法及应用
US20130022833A1 (en) Electromagnetic machine and system including silicon steel sheets
US20190068008A1 (en) Novel permanent magnet design to enable higher magnetic flux density
Chang et al. Magnetic properties improvement of amorphous cores using newly developed step-lap joints
Uppalapati et al. Construction of a low speed flux focusing magnetic gear
JP2017225261A (ja) 振動発電ユニット
JP5671869B2 (ja) 無方向性電磁鋼板およびその製造方法
Namikawa et al. High silicon steel sheets realizing excellent high frequency reactor performance
KR102315813B1 (ko) 무선충전 수신장치 모듈용 방열부재, 이를 포함하는 무선충전 수신장치 모듈 및 무선충전 수신장치
Tangudu et al. Trade studies for a manganese bismuth based surface permanent magnet machine
KR20150074296A (ko) 투자율이 우수한 무방향성 전기강판 및 그 제조방법
KR101882444B1 (ko) 교류 모터용 연자성 코어 및 그 제조방법과 이를 포함하는 교류모터
Najgebauer Advances in contemporary soft magnetic materials–a review
Binder Potentials for energy saving with modern drive technology—a survey
Alves et al. Soft magnetic materials for electrical engineering: State of the art and recent advances
Roginskaya et al. Features of amorphous steel magnetic cores for transformers operating at mains frequency
KR20080094342A (ko) 극저철손과 고자속밀도를 갖는 무방향성 전기강판 제조방법및 전기강판
CN113897559A (zh) 一种高饱和磁感低损耗软磁合金及其生产方法
Islam Prospective analysis of energy efficient amorphous metal distribution transformer (AMDT)
Hasegawa Metallic glasses in devices for energy conversion and conservation
CN108292549B (zh) 软磁合金
Monson Advancements in soft magnetic materials for future energy needs.

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant