高体积分数高性能粉体粘结巨磁致伸缩材料研究

Giant magnetostrictive alloys are a kind of new energy conversion and driving materials which have the characteristics of large strain, large output force and high energy density, show important applications in aerospace and marine exploration. However, their applications are limited for high frequency eddy current loss. Resin bonded magnetostrictive composites can effectively block eddy, but with difficulties of powders orientation and arrange which lead to low performance..We obtained the high magnetostriction of power-bonded materials with <111> orientation by adjusting magnetic field in our previous work. Then the higher magnetostriction with orientation and layered structure was got through dynamic magnetic field orientation. But its powder volume fraction was less than 20%, which leads to the low output force and energy density. Therefore, how to get high orientation and layered structure with high powder volume fraction, thus obtain high magnetostriction, large output force and high energy density has the challenge..This project intends to reveal the law of motion of two-phase medium, powder and liquid resin under dynamic magnetic field. Key factors of the high orientation, layered structure and high volume fraction will be known. The method of combining the magnetocrystalline anisotropy adjusting, wet mixing powder and pressed orientation under magnetic field is presented. Finally, we develop the high volume fraction, high orientation, layered high-performance magnetostrictive composites.

巨磁致伸缩合金是一种新型换能与驱动材料，具有大应变、大输出力和高能量密度特性，在航空航天和海洋探测等方面具有重要应用前景。但其涡流损耗大，高频应用受限。采用粉末粘结的方法可有效阻隔涡流，但粘结材料粉体取向及排列难以控制，导致材料性能严重不足。.申请人前期通过静磁场调控获得了<111>取向大应变粉体粘结磁致伸缩材料，继而采用动态磁场调控形成高取向及层状结构，获得了更大磁致应变。但其粉体体积分数不超过20%，致使输出力和能量密度仍偏低。如何实现高体积分数粘结材料的高取向度和层状排列，以同时获得大应变、大输出力和高能量密度特性具有挑战性。.本项目拟揭示粉体和液相树脂双相介质在动态磁场作用下粉体运动规律和机制，掌握高体积分数粘结材料的高取向和层状结构的关键控制因素，提出磁晶各向异性调控、动态磁场湿法混粉和磁场取向压型相结合的功能实现方法，制备出高体积分数高取向层状结构的高性能粉体粘结磁致伸缩材料。

粘接巨磁致伸缩克服了传统块体巨磁致伸缩合金的低电阻率、力学性能差等缺点，显示出巨大的应用前景。但由于对磁场取向过程中颗粒的运动及排列规律缺乏深入研究，以及目前成型条件的限制，现有工艺难以满足大磁致应变、高能量密度粘接磁致伸缩材料的制备。除此之外，对于粘接磁致伸缩材料的高颗粒体积分数造成的材料电阻率降低缺乏有效处理方法。本研究针对上述问题，分别研究了粘接磁致伸缩材料动态磁场取向过程中颗粒/树脂双相介质的中颗粒的受力及流体输运机制，高密度粘接磁致伸缩材料的成型装置及工艺，以及高电阻率粘接磁致伸缩材料的制备方法。研究成果包含以下部分：. 1.研究了动态磁场取向过程中颗粒/树脂双介质中颗粒的运动的受力情况并通过Verlet算法对层状颗粒分布形成过程进行了仿真分析。研究了不同动态磁场取向条件下动态磁场取向过程中层状结构的形态，确定了影响动态磁场诱发取向的关键影响因素。. 2.针对现有成型工艺对于高颗粒体积分数、高磁致应变粘接磁致伸缩材料制备存在的不足，提出了低密度动态磁场诱发取向+高密度挤压成型的新型粘接磁致伸缩材料的制备思路。根据这一思路设计了新型磁致伸缩复合材料成型设备及工艺。结合调节Tb/Dy比提高颗粒磁晶各向异性，成功制备出具有1600 ppm高磁致应变以及16 kJ/m3弹性能量密度的新型粘接磁致伸缩材料。. 3.对于高颗粒密度造成的粘接磁致伸缩材料电阻率降低，提出了磷化工艺对颗粒进行表面绝缘化处理的方法。该方法通过在颗粒表面生成以复合磷酸盐为主要成分的绝缘钝化层，有效提高了粘接磁致伸缩材料的电阻率。同时，磷化处理对粘接磁致伸缩材料的磁致应变以及磁性能均未造成显著影响。