高度<111>取向的高性能粉末粘结巨磁致伸缩材料研究

巨磁致伸缩材料在航空航天、海洋探测等领域中具有重要应用前景，因其取向晶体在上千赫兹以上工作时产生严重涡流损耗，限制了在高频段的应用，而粉末粘结材料将会有效拓宽其频带。理论研究表明，巨磁致伸缩材料具有强烈的磁致伸缩各向异性，λ111》λ100，但是，受粉末多晶和小磁晶各向异性的制约，此前，国际上尚没有制备出其<111>取向粉体粘结材料。.我们前期研究发现，氢化后巨磁致伸缩合金出现由穿晶断裂向沿晶断裂方式的转变趋势，具备形成单晶粉体的可能。本课题拟通过瞬时氢处理，在巨磁致伸缩材料晶界处形成数个原子层的氢化物，增大界面脆性，破碎后获得完全沿晶断裂的单晶粉末。结合前期对其磁晶各向异性规律的研究，抑制磁场下在树脂中固化时材料内电子重取向磁化过程，实现颗粒整体转动，使颗粒的<111>易磁化方向一致转向外磁场方向，从而制备出兼有大磁致应变和宽频响特性的高度<111>取向的高性能粉末粘结巨磁致伸缩材料。

粘结TbDyFe巨磁致伸缩材料因其具有大磁致应变、高频率下应用时低的涡流损耗以及良好的力学性能有望成为新型的巨磁致伸缩材料。然而其磁致伸缩性能相比于商用的TbDyFe合金仍有较大差距。获得具有高度<111>取向的粘结复合材料有望提高其磁致伸缩。本研究以TbDyFe/环氧树脂复合材料为研究对象，系统研究了TbDyFe母合金成分、颗粒尺寸、颗粒体积分数、取向磁场强度、磁场施加方式等对高度<111>取向以及颗粒分布的影响规律，并研究了复合材料的高频损耗机理。. TbDyFe合金的断裂方式主要取决于断裂时施加的应力与合金生长方向的关系，而与合金中Fe含量关系不大。金相分析表明TbDyFe合金的晶粒尺寸大于300 μm。基于小于晶粒尺寸的TbDyFe颗粒可以通过磁场取向的方法获得比较高的<111>取向，获得近似的TbDyFe单晶颗粒。. 研究表明，最优的取向磁场强度为8000 Oe，此时材料的x射线衍射图显示的三强峰分别为（111），（222），（333）。随着Tb含量的增加，TbxDy1-xFe1.95合金颗粒的取向度由补偿成分x=0.27的15.8%增加到x=0.5时的89.3%。高于x=0.5成分，颗粒将保持高度<111>取向。. 提出了基于黏性流体力学的动态磁场诱发控制颗粒分布的方法，获得了具有高度<111>取向以及颗粒层状分布的高性能TbDyFe/环氧树脂复合材料。在14000 Oe，21 MPa的预压力下，复合材料的磁致伸缩性能达到1900×10-6。其相比于之前所报道的最优性能1390×10-6具有显著提高。. 发展了具有颗粒、树脂两相流体系统在动态磁场诱发条件下的动量方程，系统研究了其对层状结构的影响规律，计算了TbDyFe颗粒在环氧树脂基体中的运动情况，证实了在磁场诱发条件下的动态取向是获得颗粒层状结构的关键因素。. 随着频率的增加，TbDyFe复合材料的动态磁滞回线形状基本为直线，损耗值仅是TbDyFe合金的3.7%。阐明了磁致伸缩材料的损耗机制，即TbDyFe复合材料的损耗以磁滞损耗为主，TbDyFe合金的损耗以涡流损耗占主导。测试结果表明，粘结巨磁致伸缩材料的截止频率为6800 kHz，比TbDyFe合金高3个数量级。