[发明专利]一种NiMnFeGaAl-RE系磁致伸缩材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁致伸缩材料及其制备方法，特别是涉及一种NiMnFeGaAl-RE系磁致伸缩材料及其制备方法，并涉及使用了该磁致伸缩材料的传感器和驱动器。

背景技术

铁磁性材料的磁化状态发生改变时，其形状和尺寸要发生变化，这种现象称为磁致伸缩。人们曾想利用Ni合金来制造磁致伸缩器件。但由于它们的磁滞伸缩应变量过小，当时未能推广与应用。本世纪的50年代初，人们已发现Ni-Fe-Co合金的磁致伸缩应变可达到50ppm(1ppm＝10^-6)。

2000年美国的S.Guruswamy等人报道了一种由Fe和Ga组成的二元合金，即Fe-Ga合金。Fe-Ga合金具有较高的磁致伸缩系数(0.02～0.03％)，比传统的磁致伸缩材料高出至少几倍以上，强度与磁导率比超磁致伸缩材料高很多；此外，由于Fe-Ga合金为金属固溶体，有较好的延展性和机械加工性；该合金还具有很好的温度特性。因此，有关Fe-Ga基磁致伸缩材料的研究引起了广泛的关注。CN101262039A公开了一种Fe-Ga基磁致伸缩丝，其特征在于材料成分为Fe_1-x-yGa_xM_y，M为除Fe以外的过渡族金属元素及Be、B、Al、In、Si、Ge、Sn、Pb、Bi、N、S、Se中的一种或几种，x＝5～30％，y＝0～15％，余量为Fe；CN101418415A公开了一种Fe-Ga基磁致伸缩丝及其制备方法，其特征在于材料成分为Fe_1-x-y-zGa_xAl_yM_z，M选自Co、B、Cr、V、Nb、Zr、Be、Y、Ti等中的一种或多种，其中x＝0.10～0.30，y＝0.01～0.15，z＝0.000～0.1，余量为Fe；CN1472370A中公开了一种具有磁诱导高应变和形状记忆效应的磁性单晶，其成为为Ni_50+xMn_25-yFe_yGa_25+z其中：-24.99＜x＜24.99；-24.99＜y＜24.99；-24.99＜2＜24.99，该材料通过提拉法获得。

磁致伸缩材料作为一类智能材料，被广泛应用于换能、驱动、传感等技术领域。利用磁致伸缩材料的威德曼效应，将磁致伸缩材料加工成磁致伸缩丝作为液位传感器、位移传感器、磁弹性型扭矩传感器、杨氏模量传感器等的敏感元件，在质量检验、优化控制、工况检测和故障诊断等领域发挥着重要的作用。在制造传感器时，由于现有的磁致伸缩材料本身的磁滞及应变随磁场变化规律的线性度差，增加了驱动器与传感器信号处理的难度，使传感器和驱动器的设计与制造复杂化。如果有一种材料其磁致伸缩应变与磁场强度在低磁场范围满足简单的函数关系，这样经过简单定标之后，就可以在外加磁场强度与材料本身的磁致伸缩应变之间建立一一对应关系，可以免去设计补偿电路的麻烦，使传感器和驱动器的设计与制造简化。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种NiMnFeGaAl-RE系磁致伸缩材料。其特征为，材料成分由Ni、Mn、Fe、Ga、Al和RE元素组成，各元素在合金中的原子数比Ni∶Mn∶Fe∶Ga∶Al∶RE为5～20∶5～30∶40～60∶18～25∶0.01～2其中RE是La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy和Y中的一种或两种。

上述的磁致伸缩材料磁致伸缩应变(35-150ppm)并没有提高；但机械加工性能好；最主要的是磁致伸缩应变随磁场的变化规律在低场(＜1500Oe)下可用线性函数表征，无磁滞。

优选地，所述RE为Ce，且各元素在合金中的原子数比Ni∶Mn∶Fe∶Ga∶Al∶Ce为10∶5∶60∶20∶6∶1，或各元素在合金中的原子数比Ni∶Mn∶Fe∶Ga∶Al∶Ce为10∶10∶∶60∶20∶6∶1。本发明的另一目的之一在于提供一种制备上述NiMnFeGaAl-RE系磁致伸缩材料的方法。其包括如下工艺步骤：

(1)按磁致伸缩材料的成分组成准备原料；

(2)将原料加热熔融进行精炼，所述精炼为在氩气保护下的水冷铜坩埚非自耗电弧熔炼炉中反复熔炼4次使之混合均匀，得到的合金浇铸成圆棒；

(3)对合金棒用高温度梯度快速凝固法进行晶体定向生长，得到<100>和<110>织构的取向多晶，即得到取向的磁致伸缩材料。