[发明专利]一种含氮的铁镓磁致伸缩材料及其制备方法

说明书

一种含氮的铁镓磁致伸缩材料及其制备方法。本发明的材料成分及含量表示为Fe_{100‑x‑y‑z}Ga_xM_yN_z，其中M为Al、Si或B，x＝15～20at％，y＝0～1.5at％，z＝0.1～1.0at％。本发明的材料表面包括一定量的铁氮化合物，通过氮的进入，提高铁镓磁致伸缩材料的磁致伸缩性能，并且表面的铁氮化合物有利于材料耐腐蚀性的提高。

技术领域

本发明属于磁致伸缩材料领域，具体而言，涉及一种铁镓(FeGa)磁致伸缩材料及其制备方法。

背景技术

铁磁性材料在外加磁场作用下，其形状和体积均发生变化，称为磁致伸缩效应。通常实际应用的是材料线磁致伸缩效应，对应线磁致伸缩系数λ＝ΔL/L(L是材料原始长度，ΔL为外加磁场下材料的长度的变化量)。当λ>0，即外加磁场下，材料沿磁场方向伸长，称为正磁致伸缩效应；反之，λ<0，则称为负磁致伸缩效应。材料在在外加磁场下，所产生的最大应变量，称为饱和磁致伸缩系数(λs)，对应的磁场的大小，称为饱和磁化场(Hs)。

磁致伸缩材料能实现电磁能和机械能的相互转换，具有输出功率大、能量密度高、可靠性好等优点，是重要的能量和信息转换材料，是高技术领域最重要的功能材料之一，在水声换能、超声换能器、电声转换、精密制动器、减震与防噪、智能机械、微位移控制等高技术领域有广泛的应用前景。目前开发的FeNi、FeAl、Ni等传统金属磁致伸缩材料，磁致伸缩系数较低，影响了其推广应用；而以TbDyFe为代表的稀土超磁致伸缩材料，虽然具有高的磁致伸缩性能，但是加工性能差，同时稀土原材料成本高也限制了其广泛推广。

Fe-Ga合金是继传统磁致伸缩材料和TbDyFe稀土超磁致伸缩材料之后出现的一种新型磁致伸缩材料，是人们在新型高性能磁致伸缩材料探索中的一个重要发现，具有高应力灵敏度、良好的热-机械性能和磁致伸缩性能，填补了传统磁致伸缩材料和稀土超磁致伸缩材料之间的空白，在超声领域和微位移器等方面有较大的潜在应用价值。FeGa磁致伸缩材料的制备方法除了传统的定向凝固法以外，根据应用领域的不同，还发展出轧制法、熔体快淬法等，通过制备不同维度的材料如粉末、薄膜、丝材、板材等，以满足不同领域应用的需求。特别是在大功率磁致伸缩超声换能器领域，由于FeGa的电阻率低(～9×10^-7Ω·m)，在较高频率使用时，会产生严重涡流损耗，不仅降低能量效率，而且会因发热导致材料失效，同时，为了避免发热情况下造成材料失效，会采用水等介质冷却，从而容易导致FeGa的腐蚀。

FeGa板材的出现，为高频大功率超声换能器的发展带来了希望，目前换能器的声功率已相对主流压电超声换能器获得成倍乃至数量级的提高。但同时，随着应用领域的扩展和应用环境的多样，对材料也提出了更高的要求，需要进一步提高FeGa的磁致伸缩性能，改善环境耐受性，优化力学性能，以适应日益严苛的应用需求。

在提高FeGa磁致伸缩材料性能方面，US 20090039714A1在FeGa合金中添加Al或Be，添加超过1mol.％NbC作为晶粒生长抑制剂，通过热轧、两步温轧及后续热处理，获得沿轧向具有[001]织构的FeGa磁致伸缩合金薄片材料。CN 101465406A通过添加原子比大于0.5％的B、Cr、Nb、VC、TiC、MnS、AlN合金元素，和少量S、Sn、Sb不利于磁性能的合金元素，借助低含量(体积比0.001-0.008％)的H₂S或氧气在高于900℃长时间热处理，获得了较好取向的高斯或立方多晶取向织构FeGa薄板。CN 101086912A提出在FeGa中添加稀土材料，同时掺杂C＝200-600ppm，N＝200-600ppm，O＝200-700ppm，以提高磁致伸缩性能。CN103014594A提出在FeGa二元合金中添加少量元素Al、Nb、C、B作为抑制剂或抑制剂形成元素，采用元素S作为二次再结晶诱导元素，最终获得具有强烈高斯织构的二次再结晶磁致伸缩板带，磁致伸缩性能可达300ppm以上。