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西安交大科研人员在高灵敏磁致伸缩材料领域取得重要进展

来源:西安交通大学 日期:2021-01-25 加入收藏

 
  磁致伸缩材料具有感知磁场并产生驱动的智能特性,在大功率换能器、微位移控制系统和高精度机械加工装备等诸多高技术领域不可或缺,因此在国际上备受重视。近年来,高技术领域的快速发展对磁致伸缩材料提出了兼具大磁应变和低驱动场(高灵敏度)的苛刻要求。根据传统的原理,这两个技术指标相互矛盾,难以同时实现最优化,成为研发高灵敏磁致伸缩材料的瓶颈。另外,现有的高性能磁致伸缩材料高度依赖于昂贵的稀缺重稀土战略性元素,尽管通过制备单晶材料可使其磁应变最高化,但是大磁应变与低驱动场之间的原理性矛盾仍难以克服。因此,研发高灵敏的无稀土磁致伸缩材料具有迫切需求。

  近日,西安交通大学前沿院马天宇教授和任晓兵教授课题组在高灵敏无稀土磁致伸缩材料研究方面取得重要进展。他们基于大磁致伸缩Fe-Ga合金亚稳态和平衡态相结构差异显著的特性,通过简单的“固溶+时效”处理,在立方相基体中析出四方结构的纳米第二相颗粒,利用两相之间的磁弹相互作用,将多晶材料的磁致伸缩性能提高3倍,与单晶材料相当,同时大幅降低驱动场,使磁致伸缩灵敏度提高5倍(图1),为研制高灵敏无稀土磁致伸缩材料提供了新途径。

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图1 基于纳米析出相调控的高灵敏Fe-Ga磁致伸缩材料

  该工作以“Large and sensitive magnetostriction in ferromagnetic composites with nanodispersive precipitates”为题发表于自然出版集团刊物 NPG Asia Materials 上。编辑认为该工作是“磁致伸缩材料领域的重要贡献(a significant contribution to the field)”,并特意撰写题为“Magnetic Materials: A Bigger Magnetic Movement”的Editorial Summary介绍该文。论文第一作者为前沿院博士生苟峻铭,通讯作者为前沿院马天宇教授和任晓兵教授。

  在上述工作基础上,研究人员将这种调控纳米析出相提高磁致伸缩灵敏度的新方法应用于定向凝固Fe-Ga合金,使磁应变再提高40%、灵敏度再提高~60%。研究发现,定向凝固合金中的内应力会加快析出动力学,不仅影响析出相的尺寸与数量,还会在相界面形成新的析出相(图2)。

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图2 动态(含内应力择优取向合金)和静态(无应力铸态多晶合金)时效后的微结构差异

  通过与铸态多晶合金对比,研究人员揭示了纳米析出相尺寸、数量及种类对磁致伸缩性能的作用规律和机理,为后续通过调控析出相进一步提高定向凝固Fe-Ga合金的磁致伸缩性能奠定了重要理论基础。该工作以“Dynamic precipitation and the resultant magnetostriction enhancement in [001]-oriented Fe-Ga alloys”为题发表在金属材料领域重要刊物 Acta Materialia 上。论文在审稿阶段被三位审稿人同时推荐为“publish as is”,被编辑部直接录用。前沿院博士生苟峻铭也是该论文第一作者,前沿院马天宇教授为通讯作者。

  两篇论文的第一通讯作者单位均为西安交通大学,合作者包括课题组研究生杨天子和乔睿华与访问学者刘孝莲博士,以及西北工业大学刘峰教授、中国工程物理研究院孙光爱研究员和中国科学院宁波材料所夏卫星研究员等。该工作受到了国家自然科学基金委和金属材料强度国家重点实验室等共同资助。部分微结构表征得到了西安交通大学分析测试共享中心和西北工业大学分析测试中心的支持。
 
 
 

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