铁基智能材料准同型相界的穆斯堡尔谱及磁弹机制研究

Among intelligent materials' family, magnetostrictive materials have been taken as a national strategic object already. In recent years, the concept of morphotropic phase boundary (MPB) has been sucessfully introduced to the subject of ferromagnetism, ingecting this old material new living force. However，MPB remains to be an interesting phenomenon now，the underlying physical mechanism calls for further investigation. According to our previous investigation, taking RFe2-type (R=rare earth) compound, i.e. Fe-based magnetostrictive giant material as the reach object, we will study its M?ssbauer effects，morphotropic phase structure and and macro-magnetic properties at different temperature and compositions, establishing its MPB, build ferromagnetic tetragonal/rhombohedral/ orthorhombic (T/R/O) triple points, understand the evolvement rules of magnetoelastic mechanism around MPB, reveal the internal relationships between the micromagnetism parameters and macroscopic magnetic behavior. Based on the micromagnetic parameters obtained from M?ssbauer spectrum, this project aims to calculate the anisotropic parameters around MPB, and to lay the theoretic basis for ultrasensitive magnetostrictive materials.

作为智能材料的一个重要成员，磁致伸缩材料已被视为国家高科技综合竞争力的战略材料。最近，准同型相界的概念被成功引入到铁磁学领域，无疑为古老的磁致伸缩材料注入了新活力。但铁磁准同型相界还只是一个有趣的物理现象，其内在机制仍待探究。本项目拟在已有的研究基础之上，以RFe2（R=稀土）型Fe基Laves相合金为研究对象，研究其M?ssbauer效应、相结构及宏观磁性随成分和温度的演化规律，建立成分-温度-结构-自旋再取向相图，确立材料准同型相界，进而构建四方/菱方/正交铁磁三相临界点，并引入过渡金属调节准同型相界，深入理解磁弹效应在准同型相界演化的规律；揭示微观磁学参数及宏观磁弹效应在准同型相界的内在联系；参考M?ssbauer谱获得的微观磁学参数并结合晶体场理论和修正的单离子模型，得到材料在准同型相界附近的各向异性参数，进而揭示准同型相界的磁弹机制，为设计新型超灵敏磁致伸缩材料提供理论依据。

依据C-R/T (立方-菱方/四方) 型准同型相界(MPB)设计压电和磁致伸缩材料是近年来研究的热点。准同型相界的共同特征是具有C/R/T三相点。研究表明正是因为继承了C/R/T三相点近各向同性的低能垒，所以准同型相界附近通常有着较大的外场响应。然而随着温度的升高，准同型相界的这种有趣的性质将会消失，这是因为经过C/R/T三相点时体系将失去磁性。鉴于此，本项目致力于建立四方/正交/菱方铁磁三相点，使系统既有一个较低的各向异性同时又兼具磁性，从而激发灵敏磁致伸缩性能。我们以RFe2型Laves相Fe基智能材料为研究对象，通过Mössbauer谱、相结构及宏观磁性的测量及表征得到了一系列材料的成分-温度-结构-自旋再取向相图，在相图中的铁磁区域建立了“四方/正交/菱方”三相临界点，构建了新型的C-R/O/T铁磁三相点MPB，并在铁磁三相点获得了灵敏的磁致伸缩效应。通过对这种新型的MPB的穆斯堡尔效应、磁性和磁弹效应的系统测量和相场模拟，我们掌握了内禀磁性和磁弹效应在各相和相界附近的演化规律，揭示了相界的磁弹机制，并阐明了铁磁三相点的超灵敏磁弹效应的机理。我们建立并研究了SmFe2-NdFe2，TbFe2-NdFe2，TbxHo0.8-xNd0.2Fe2，(Tb,Dy)Nd0.8Fe2的相图，均在相图上的铁磁三相点发现了具有较大的低场磁致伸缩响应，较高的应变灵敏度和较小的滞后等优点。 例如，TbxHo0.8-xNd0.2Fe2系统铁磁三相点的磁致伸缩的灵敏度相比非三相点区域提高了近8倍以上。此外，我们还依据准同型相界的原理设计了宽温域磁致伸缩材料。 我们对Terfenol-D的低温相四方相进行调节，通过引入各向异性较低的Nd增大了T相的将Terfenol-D的使用温区拓宽了近三倍。此外，我们还发现利用正交相取代四方相可以有效的提高材料的使用温域。总之，该项目的开展不仅丰富了智能材料中准同型相界的内涵，揭示了准同型相界的铁弹机制，同时也为设计价格低廉和超灵敏性的新型铁基智能材料提供了一定的科学依据。