二元MnxGa合金结构及内禀磁性能的研究

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Mn-Ga合金具有不含稀土元素、相结构丰富、温度诱发相变、较高的居里温度等特点,除了D022-Mn3Ga由于其高自旋极化率、高居里温度及作为新型自旋转移矩(STT)材料而受到关注,另一类具有低对称性、四方L10结构的MnGa合金则被预言有成为新型非稀土永磁材料的潜力。本论文采用悬浮熔炼、快淬和热处理方法,并结合差示扫描量热(DSC)、X-射线衍射(XRD)、中子粉末衍射(NPD)、扫描电镜(SEM)、振动样品磁强计(VSM)、综合物性测量系统(PPMS)等表征和分析手段,一方面重点研究了高锰MnxGa(2<x≤3)快淬带的相转变过程和磁性能,另一方面详细考察了单相低锰MnxGa(1<x≤2)合金的制备工艺、内禀磁性及晶体结构和内禀磁性的关系,并实现了Mn1.33Ga合金的磁硬化。获得主要结论如下:  合金组分和退火温度对MnxGa(2<x≤3)快淬带物相和磁性能具有显著的影响。不同合金快淬带呈现出不同的晶体结构:Mn3Ga和Mn2.7Ga快淬带为单相立方Mn3Ga结构,Mn2.5Ga是立方相和六方相两相共存,Mn2.3Ga则基本为单相六方结构。在一定的退火温度下,短时间退火(45分钟)即可以使Mn3Ga和Mn2.7Ga合金快淬带实现从立方相到四方相,再到六方相的转变。但短时间退火不能驱动Mnz3Ga和Mn2.5Ga中六方相发生相变。实验发现,Mn2.3Ga和Mn2.5Ga分别经773K退火18h和873K退火24h后可获得单相四方结构。对于单相四方MnxGa(2<x≤3),随着Mn含量的增加,饱和磁化强度和剩磁逐渐降低,矫顽力逐渐增加。  通过优化制备工艺获得了系列单相四方结构MnxGa(1<x≤2)合金并研究了其内禀磁性和结构关系。随着锰含量x的增加,单相MnxGa合金的分子磁矩、饱和磁化强度逐渐降低,居里温度和各向异性场逐渐增加。其中Mn1.15Ga合金的饱和磁化强度高达92emu/g,是目前报道的最高值。中子衍射结果表明,MnxGa(1<x≤2)合金的磁矩主要来源于Mn原子,并取决于其晶胞占位情况。其中4d晶位的Mn原子总是倾向于全填充,且不随合金化学组成发生变化,4d-Mn原子表现出铁磁性,原子磁矩为2.16(6)μB;当x<1.5时,过量的Mn原子开始占据2b,同时2a位置出现空位;x>1.5时,Mn原子则同时占据2b和2a晶位。2b-Mn原子显示出反平行的反铁磁性,原子磁矩约为3μB。正是由于4d-Mn和2b-Mn原子之间的相互耦合,导致综合磁矩随着合金中Mn含量的增加而下降。  以结构稳定、室温饱和磁化强度较高的Mn1.33Ga为研究对象,采用表面活性剂辅助球磨技术实现了合金的磁硬化。研究表明,球磨时间对Mn1.33Ga粉末的形状各向异性、晶粒尺寸和磁性能影响较大。随着球磨时间的增加,长径比增大,晶粒尺寸逐渐减小,矫顽力呈现先增加后降低的趋势,其中球磨2h时矫顽力高达7.2kOe。饱和磁化强度则随球磨时间而急剧下降,球磨20h粉末的饱和磁化强度仅为8emu/g。适当的退火处理能够在保持较高矫顽力的同时,恢复粉末的磁性能,球磨2h的样品经773K退火2h后综合磁性能最优,此时,矫顽力可达5.17kOe,饱和磁化强度和剩磁分别恢复到69.23emu/g和41.85emu/g,最大磁能积可达2.3MGOe。
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