（材料加工工程专业论文）粘结合成磁致伸缩材料的制备及性能研究.pdf

内蒙占科技人学硕 ：学伊论文 摘要 与金属块状磁致伸缩材料相比，磁致伸缩合成材料具有使用频率高，经久耐用 和可制成复杂几何形状等优点，所以近年来磁致伸缩合成材料受到人们广泛的荚注： 研究工作主要集中在磁致伸缩材料和聚合物或其他金属的复合。出于具有较低的导电 率，从而防止了涡流损失，所以同聚合物合成的磁致伸缩材料主要优点是拓宽了材料 的使用频率范围。一般而言，合成磁致伸缩材料比单块磁致伸缩材料更易制备，而且 能压制成特别的尺寸和形状。但是合成磁致伸缩材料具有较低的饱和磁致伸缩系数。 本文研究和改善了粘结合成磁致伸缩材料的制备工艺，同时分析了制备：【艺参数对性 能的影响。这对将来的研究与生产都有一定的指导意义 首先，通过对前人1 二作的分析，选定了所要进行的课题内容，即“粘结合成磁 致伸缩材料的制备工艺及其性能研究”，并制定了实验方案。主要考虑合余粉术牲度、 粘结剂配比和粉术退火对磁致伸缩性能、密度和电阻率的影响。其次，比较详细的介 绍了实验中所使用的设备及进行实验的方法。然后，对实验结果进行了详细的睨明与 分析，确定了制备粉术粘结合成材料的最佳工艺参数。即：粒度为1 0 0 2 5 0 um 的台 会粉束、7 5 0 下进行粉术退火和重量百分比为4 的粘结剂配比，这样条件下制备出 的粉术粘结合成材料具有最大的密度；粒度为1 0 0 2 5 0 um 的合金粉末、4 0 0 f 进 行粉末退火和重量百分比为6 的粘结剂配比，这样条件下制备出的粉术粘结合成材 料具有最大的磁致伸缩系数：粒度为5 0um 的合会粉末、6 0 0 下进行粉术遐火和 重量百分比为1 0 的粘结剂配比，这样条件下制备出的粉未粘结合成材料具有最大的 电阻率。 另外，在磁伸组还参加了强磁场处理的课题研究，所以，本文最后还分析总结 了强磁场热处理对定向稀土磁致伸缩材料性能的影响。即：磁场热处理时沿垂直样品 棒轴线施加磁场，市。、提高定向t b o3 d y o7 f e i9 5 多晶合会磁致伸缩性能；在稍低j 二居 罩点的温度保温，采用垂直磁场且冷却段保持磁场的方式退火，定向t b o3 d y o7 f e l9 5 多晶合会的磁致伸缩系数得到明显提高。 关键词：磁致伸缩：稀土；t b d y f e ：粘结；热处理 内蒙占辩技夫学殒 “爹侮论文 f a b r i c a t i o na n dp r o p e r 够r e s e a r c ho f p o l y 黻e b o 转d e 纛轰堙a g n 武o s 翻e t i v ec o m p o s i 耋e s a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s m a g n e t o s t c t i v ec o m p o s j t e s h a v er e c e i v e dc o ns l d e r a b i ea n e n t i o nd u et o i m p r o v e m e n t si nt e r m s0 ff 碡q u e n c yr a n g e d u r a b j l i t 弘a n dp a ng e o m e t 0 、h e nc o m p 矗r e dt ot h e m o n o l i t h 泌m a t e r i a l r e s e f c he 行b r th 箍sc o n c e m r a t e do nm a g n e t o s t r i c t l v ep a r l i cu l a 辩c o m b i n e dw i m e t k ra 弦珐m e 强一s 】，o rm e t a 泌m 瓣l x f 9 o 】o n ek 秽勰v a 曩l a 辨韪鲻o c 丑 相w i t h 拍ep o l y m e r 蕊鞋r 波 c o m p o s i t es y s t e mi si n c r e a s e d 矗q u e n c yr a n g et h m u g hl o w e rc o n d u c t i v ；b p r e v e n t n ge d d yc u f r e n o s s t h ec o m p o s i t em a t e r i a l i ng e n e r a | i sm o r ee a s i i ym a c h i n c dt h a nm o n o i i t h i cm a g n e t o s t c t i v ema l e a i s a n dc a nb em o l d e di n l os p e c i 氍cs i z e sa n ds h a p e s w h i i es u p e r i o r nt h e s e m a g n e t o s t m f l v ec o m p o s i l e s h 8 v ep 揩d n c e dl o w e rs 般珏斌 o nm 8 9 辩e o s 耄r 主c t i o nt h 矗瓣t b em o n o 融h 稔m 毹e f ia 1 t h l sp a p e r 瓣s o a r c h # s a n d ；m p m v e s 抽ef a b r i c a 毛i o no fp o l y m e r - b o n d e dm a g n e t o s t 打c t i v ec o m p o s 孔e s a n ds m u l t a n e o u s | y a n a l y s e st h ep r o p e r c yd e p e n d i n go nt e c h n i c a lp a r a m e t e r s 1 ta l s og ；v e sc e r t a i ng u i d a n c ef o rt h ef u t l l r e i n v e s t i ga t o na n dp r o d u c t i o n f l r s to f 巅l 。la n a l y z e d 舶ef o 黼e rj o b s n 抽珞a s p e c t ，8 皤s e l o c 酣t h op b l e m 协r e s e a r c hw h l c hl s f a b 矗c 藏毛泌n 骱鑫p 镩p e 哪r e s e a r c bo f o l y m e 卜b o n 文畦t b d y f ec o 氆p o s i 捃s 。m o 糟o v o rls 醢d o w nt b e e x p e r m e n tp r o j e c t t h er e s e a r c h se m r h 。s e sj st h a tm a g n e t o s 撕c t i o n ， d e n s i t ya n dr e s j s t a n c eo f p o l y m e o n d e dt b d y f ec o m p o s i t e sd e p e n do na l | o yp o w d e r ss l z o r a t i oo fp o 嘻m e ra n da o ) p o w d e r sa n n e a i i n g s e c o n d i y t h ea r t i c l ei n 拓o d u c e st h ee x p e r i m e n 毛e q u i p m e n ta n dm e l h o d s t h e nt h e e x p e 癜鞋e n t s f e s 珏l t sa 他e x p l a i 潍d 拍d 拍鑫l y 魏d nd e 褪氇a 喇强e s e 幽o w 嘲e 酶s lc 穗蠡w o 痰。s p 撇m e t e r so f 晒r i c a t - n gp o l y m e r - b o n d 酣t b d y f ec o m p o s i 耄e s t h ed e n s i t yo fc o m p o s t t ei s 帆 m a x i m u mu n d e rt h e s ep r e p a r a t j o nc o n d j t i o n st h a tt h ea l l o yp o w d e r ss i z ei s10 0 2 5 0um ：t h e p o l y m e r sw e i g h tf h c t i o n i s 4 ； a n dt h e a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e i s7 5 0 t h e m a g n e t # s h ；c l v ee o e 筠c l 鞠lo fe o m p o s ；糖l sl h em a x m u m 驻n d 牲l h e 辩p 怒p a 斌l o ne o n d 蠢i o n s 如a tt h e 重l o y 弦w d e r ss i 2 ei s o 秘2 5 0 譬m ；臻ep o y m e r sw e 遮趣蠹勰t i o ni s6 ；a n dt h e 鞠n e a l i n g t e m p e r a t u r ei s4 0 0 t h er e s i s t a n c eo fc o m p o s i t ei st h em a x j m u mu n d e rt h e s ep r e p a r a t i o n c o n d i t i o n st h a tt h ea l l o yp o w d e r ss j z ei s 5 0pm ；t h ep o l y m e r sw e i g h t 打a c t i o ni s10 ：a n d 也ea n n e a l i n gt e m 辨r a t u f ei s6 0 0 ，l na d d i t i o n ，lj o i n e dt h er e s e a r c ho ft b d y f ea l l o y s h e 采t 羚a t m e n l 矾鑫娃 s 轻。n gm 鑫g n e 重i c 曩e l 蠢 t h e f e 受糟， 壕e p a 洋r d o s c f | l 跫sl h e m a g n e t 0 8 t r i c t i v ep r o p e r t yd 印e n d e n c eo nh e a t 妣a t m e n tu n d e rs t m n gm a g n e t i c6 e l d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt n eo u e n i c i e n ti n c r e a s e so b v i o u s l yi ft h ea 1 1 0 ys p e c i m e nw a sc o o i e du p a r e rh o l d i n gt h et e m p e r a t u r e si nm ed i r e c t i o np e r p 蜘d i c u l a rt ot h ea x i so f b a rs p e c i m e nf o r ae e 拜a i nl 主m eu n 如rt 魏ea c l i o no fm a g n e t i e 萎o l 纛a lt 瓤el e m p o | 键u l es l i g h t l y o 谳rl b 撞n c u r i c i n t k e yw o r d s ：m a g t o s 竹j c t i o n ：r a r 。e a r t h ；t b d y f e ：b o n d ；h e a tt r e a t m e n t 一2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我- 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明j f 表示了谢意。 签名：湟蕴日期：a 。口厂j 关于论文使用授权的说明 本人完伞了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：雌一寻师签名：淑 日期：2 口形 内蒙爵科技火学硕十学位论文 引言 早在1 8 4 2 年焦耳“p j o l l l e ) 就发现了磁致伸缩现象即铁磁体出于磁化状态 静改变两发生长发及俸积秘变馥。德萁后一个多鬣纪一壹没有发瓒其有大磁致辞缁效 应的材料，这种材料的应用范围也受到了限制。1 9 6 3 1 9 6 5 年，l e g v o l d 、c l a r k 和r h y r e 等先届发魏稀金满 奄鞠d ，奁0 k 瓣主霾豹磁致 牵缩达l o 。的豢缀，1 9 7 3 年e l 础 等发现砜2 7 d y 0 _ 7 3 f e 2 【2 】。随后，科研人员们一方面从材料成分和微观结构入手，摅高 窝羧善耱瓣懿程憝；舅一方秀又努力尝试傻霜各耱方法来懿备翼有使矮价俊静、憋能 更好的超磁致伸缩材料。目前，就材料制备方法来讲，主嚣是定向凝固法和粉术冶会 法，粉木狳金法毽括烧结浚帮糖缝法。 定向凝固技术是目前网内外广泛采用的超磁数伸缩材料的制铸方法【3 l 。它是根据 磊体生长辩晶粒竞争生长麴现象，遥过晶敉淘汰，获得其裔一定择优取向的丰孝料，最 大限度地发挥稀土超磁致伸缩材料的大磁致伸缩特性。而鼠通过控制凝固冷却速度， 可敬控翻不嗣鹃择往取自h ”。 但是定向凝固法制备出盼金属撵，在糍频磁场下使用时，由于涡流产生大量的热 量，导致材料性能下降而失效。糙缩工艺出现于2 0 世纪7 0 年代。是指将经过冶炼、 研磨后的合衾粉术与树脂、塑料或熙熔点台金等粘结劐均匀混合，然后压制、接出或 注射成定形状的复合材料的过稔f 6 l 。虽然由于粘结剂的加入引起了材料成分的变 化，使材料密度降低，磁性自g 有所下降，假糙结磁体具有工艺过稷简单、原材料利用 率商、可制成形状复杂的磁体、成本低廉等优点，更重要的是，添加了秸缔剂使率才料 的电阻增加，高频特性明鼹得到改菠【7 ，引。因此，牯结工艺越来越弓f 起人们的重褫， 特羽是近几年由于糯结n d 。f e b 出现以后1 9 j ，粘结工艺飞遽发展，并得到了广泛的应 用。本文探索和完蓠了用树脂高聚物粘结磁致伸缩复合材料的制备方法，分析了工艺 参数对材料磁致伸缩往能的影响，为今后豹研究和生产提供技术指导。 内蒙古科技大学硕+ 学位论文 l 磁致伸缩及磁致伸缩材料 1 1 磁致伸缩 1 1 1 磁致伸缩效应及其分类 磁化状念改变时，铁磁和亚铁磁材料引起尺寸或体积微小的变化，称为磁致伸缩。 此现象于1 8 4 2 年l 甘舌名物理学家焦耳( j 只j o u l e ) 首先发现。接着v i l l a r i 发现了磁 致伸缩的逆效应。就是当材料的长度发生变化时，材料内部的磁化状态亦随之变化， 即压磁效应。磁致伸缩可分为两种1 6 j 。 ( i ) 线磁致伸缩 当磁体磁化时伴有晶格的自发变形，即沿磁化方向伸长或缩短，称为线磁致伸缩。 变化的数量级1 0 一l 矿为。当磁体发生线磁致伸缩时，体积几乎不变，而只改变磁体 的外形。在磁化未达到饱和状惫时，主要是磁体长度变化产生线磁致伸缩。线磁致伸 缩或线磁致伸缩系数通常用 表示， = a “l o ，其中l 为铁磁体的长度，l 为铁 磁体长度k 方向上的伸长量。当 o 时，为正线磁致伸缩，它裘示铁磁体沿磁场方 向伸长，而垂直于磁场方向缩短：当 j 1 ) ，交换积分愈大则交换能愈小。由于系统在变化过程中总是力图使交换能变 小，所以球形晶体在从顺磁状态变到铁磁状态时，原子闯的距离不会保持在d i ，而必 须变为d 2 ，因此晶体的尺寸便增大了。同理，若某铁磁体的交换积分与d m 的关系 是处在曲线下降段上( 如图1 3 曲线上的“3 ”点) ，则该铁磁体从顺磁状态转变到铁 磁状态时就会发生尺寸的收缩。 t t o t 0 图1 2 自发形变示意图 幽1 3交换积分与晶格原子结构的关系 t r c 方向取 向，显微组织无晶界、无孪晶及其他缺陷，但实际上由于合金自身特性和凝固方法特 点决定了获得理想的显微组织是很困难的。采用合会熔炼法制备品粒取向或李单品稀 土一铁超磁致伸缩材料，目前主要有向罩吉曼法( b r i d g m a l l ) 、浮区法( f i o a tz o n e ) 和 丘克拉尔斯基法( c z o c h r a l s k i ) 。 f 1 ) 布罩吉曼法 布早吉曼法是将材料的母合会置于石英或a 1 2 0 3 坩埚内，采用感应线圈加热，母 合会整体熔化后自卜而下的移出加热区，使其发生顺序凝固以形成定向凝阎组织。感 应线圈的移动速率和固液界面的温度梯度对固液界面形态、凝固组织和晶体取向贝订 重要影响。感应线圈的移动速率小于临界凝固速率时，固液界面以平面方式生长，无 择优取向，如采用 取向的籽晶，可获得 l ，取向的台会材料i 但德癍线斛的移 动速率过慢，稀土会属挥发严重，组织中易析出r f e 3 相，使合会的磁致伸缩降低。 当感应线圈的移动速率大于临界凝固速率时，固液界面存在成分过冷，合会按枝晶或 一l3 内蒙占科技人学硕1 j 学伊论文 胞状长大方式生长，形成轴向为 方向的取向合余材料。这种方法的 ：要问题怂： 稀土金属易于烧损；难以实现高的温度梯度，因而对凝固组织产生不利影响。 ( 2 ) 浮区法 浮区法是将母合会棒置于浮区装置中，然后用一匝扁平感应线圈使8 、1 0 m m 长度 范围内的合会棒熔化，当感应线圈以一定的速率( 如1 3 8 m m i ) 妇合金棒的一端移向 另一端时，合会棒的每一部分都经历了山熔化到凝固的过程，因而合会棒内形成了层 状的定向凝固组织。这种方法与柿罩吉曼法相比的主要优点是无坩埚、合会熔化时f 目j 短，这可显著减少坩埚污染及稀土余属的烧损。但这种方法要求感应线圈的相对移动 速率必须与加热功率、熔化区宽度、液相温度和液相表面张力等相配合，因此征实际 操作卜更加困难。 ( 3 ) 丘克拉尔斯基法 丘克拉尔斯基法亦称为提拉法，它通常将一小品粒( 籽品) 阎定在可旋转a 径为 2 m m 的钨棒上，然后插入母合令的熔体中，以一定的速率提拉籽品，熔体便以籽t 5 & 为基底，用平丽长大方式逐渐的长成较大的几个晶粒或荤晶体。长大后的晶体耿向与 籽晶的取向一致，因此可利用籽品的取向来获得 方向的合会材料。 表1 1 列出了在约4 0 k a m 磁场时t b o3 d y o7 f e lq 合金的特性参数。 表1 1t b o3 d y o7 f e 】9 合金的特性参数( h = 4 0 k a m ) 特性 数值 密度 p k g m 。 9 2 5 1 0 。 磁导率u 厂r m a 一 9 2 4n 1 0 “ ps t m a 一14 5 4 1 0 “ 压磁系数d m a 11 5 0 1 0 培 磁机械耦台系数 k o 7 0 o 7 5 电阻率p 。n l n 6 0 l o 8 抗拉强度 ob ，m p a 2 8 抗压强度m p a7 0 0 居里温度 t c 3 8 0 磁化强度 厂r 1 i o 磁致伸缩 1 5 0 0 l o 一2 0 0 0 1 0 小 能昔密度 ，j m ( 1 4 2 5 ) 1 0 一1 4 内蒙吉科技大学硕士学位论文 1 4 2 超磁致伸缩材料的热处理 耩，羧超滋致 睾续模瓣翡毪熊与瓣料豹显徽缝籀煮摄大关系，舔淹嚣麴热楚遴 可以改善合会的显徽组织，减少台盒的缺陷，同时又可以减少材料内韶存在的应力， 困魏，经过上述方法截簧戆猎糕逶嚣要进行熬楚璎。 翻1 9 不圊热姓理添度f 的磁致伸缩 鸟磁场豹建系播线( 6 石然 池) 闰 。l o 下b 啦”7 3 f e 2 合食盼磁枫 祸台系数与瓣蓬磁场瀚关系 嚣e 壶踯v 龋等人f 2 司礤究了熬处壤对磁致律缝经熊的影响焱露。热处理艨撵鑫躲磁 致伸缩 和应变系数的最太值( d 舢田。明显增大，如图1 9 所示，当热处理溢废 离予8 5 0 时，含愈的磁致终缝出蕊了“跳跃”( 磁致弹缀褒甄磁场下快速增热熬魏 象) ，并且虢跃不鼹随着温度的增加逐渐出糯的，而楚在8 5 0 圆o o 区间突然发生的。 跳跃是由大鐾馕褰榉品辘鹈方囱鲍磁踌突然转囱与磁场楣避鲍方向的终暴，说甥热处 理可以减弱畴壁的钠藐，裁减小磁畴转动所需要鹩瓣动力，导致在磁场的佟用下，大 量的磁畴黼时发生转动。 h g 等人【2 6 】研究了热处理工艺对区域熔炼法制螽的t b o2 7 d y o f e 2 含余的磁机 藕合系数豹影赜爨簿。在争0 0 、2 镌浆条幸擎下退火所霉到鹣磁瓠鞲会系数与键嚣磁 场的关系如图1 1 0 所示。很明显退火后样品的磁机耦合系数显著增加。 l 。4 3 烧维超磁致传缩材料的制备 定蠢凝辫法适合子裁备取商多燕孛辛辩，毽生产设备霸纛，效率鬣，又爱戮尺寸帮 形状限制，因丽人们又采用粉末烧结法泉制各超磁敬体缀材料。羚束烧结漩是将一定 残分静蹲合金在氨气僳护下菠薛，麓成粉术，真空于澡嚣将耪末焱模爨串压裁戒澎， 然聪在氨气保护下烧结。粉末烧结法的烧结温度通鬻为l 1 0 0 1 2 0 a ，时间为l 1 2 h 。 内蒙，科技人学硕十学何论文 最后耍经过9 0 0 9 5 0 、2 4 8 h 的退火处理。 1 4 4 粘结超磁致伸缩材料的制备 粘结工艺出现于2 0 世纪7 0 年代。粘结法是指将经过冶炼、研磨后的合会粉未与 树脂、塑料或低熔点合会等粘结齐f j 土句匀混合，然后压制、挤出或注射成。定形状的复 合材料的过程。虽然由于粘结荆的加入引起了材料成分的变化，使材料密度降低磁 性能有所下降，但粘结磁体具有工艺过程简单、原材料利用率高、可制成形状复杂的 磁体、成本低廉等优点，同时添加了粘结剂使材料的电阻增加，高频特性明显得到改 善。因此，粘结工艺越来越引起人们的重视，特别是近几年粘结n d f e b 出现以后， 粘结工艺飞速发展，并得到了广泛的应用1 2 7 。 1 4 5 氢化歧化脱氢法( h d d 法) 由于氢化歧化脱氢法制造n d f e b 粉术获得成功，有人采用这种方法制备 t b o2 7 d y 07 3 f e 2 、( o x o 5 ) 多品，取得了较好的效果。首先将母合金在室温l m p a 的氧 气下氢化，从而得到q f e 、r h 2 和r h 3 的粉术和团块混合物，其次将上述混合物进 一步粉碎并等静压下制成所需要的形状，然后在8 0 0 的真空下脱氧，最后在1 1 5 0 、6 6 7 1 0 4 p a 的氢气下烧结1 h 得出成品。样品的成分可用不同比例的母合金求出 。 1 4 6 薄膜超磁致伸缩的制备技术 稀土一铁超磁致伸缩薄膜材料是制造微型致动器的理想材料。对于和薄膜，通常 采用直流磁控溅射或射频磁控溅射技术制备。对于和薄膜，通常采用直流磁控溅射或 射频磁控溅射技术制备f 3 2 j 。 1 。5 磁致伸缩材料的应用 高性能的稀土铁超磁致伸缩材料是现代科学技术发展所必需的重要的功能材料 之一，它除了具有高的磁致伸缩性能外，还具有输出功率大、能量密度高、响应速度 快等特点。稀士铁超磁致伸缩材料在军事方向的应甩是冀最早的用途之一。m 这种材 料制作的应用于军事和海洋工程的水声声纳显示出目前世界卜最好的性能，探测距离 近1 0 0 0 0 公罩：而压电陶瓷声纳的拇测距离则小于3 公 壁摹一器手飞机极翼控制可使 其反映灵敏度、可靠性大幅度提高；用于导弹制导系统，实现飞行轨道计算机快速修 1 6 内蒙山科技人学硕 ：学俺论文 正，大大提高命中率。在t 业方面，这种材料应用于机械、电子、石油、纺纵、医疗 等领域，主要是用于4 精密控制和超声应用方面。例如，在高精密度控制方丽的应 用有：超精密机床、机器人、主动减振系统、线性马达、高速阀门、伺服阀、汽车燃 油电喷阀、超声清洗、打孑l 、破碎、超声医疗器具、各种精密仪器、计算机光盘驱动 器、打