论文部分内容阅读
自从1972年Clack等人首次发现立方Laves相结构的ReFe2(Re:稀土)合金具有大的磁致伸缩效应以来,作为一种新型的功能材料,稀土一铁合金多年来一直受到广泛的研究。特别是以Terfenol-D(Tb0.27Dy0.73Fe2)为代表的巨磁致伸缩材料作为水声换能器、精密致动器、智能传感器等器件的核心材料,已应用于军事装备、超声探测、精密自动控制、机器人等高技术领域。但这种材料采用了价格高昂的重稀土材料Tb、Dy,限制了材料的广泛应用。依据单离子模型计算得知,PrFe2等轻稀土铁合金在低温下时都具有较大的理论磁致伸缩值,因此近年来以廉价的轻稀土Pr为基的合金得到了很大的关注。本论文详细研究了以轻稀土Pr为基的Pr-Ce-Fe、Pr-Nd-Fe和Pr-Tb-Fe立方Laves相化合物的合成、低温下磁性以及磁致伸缩性能,包括以下三个方面的内容：1. PrxCe1-xFe1.9(0.5≤x≤1.0)合金结构及磁致伸缩性能的研究研究了Pr-Ce-Fe合金的结构、磁性能、室温及低温下磁致伸缩性能。采用熔炼加后续高温高压退火的方法成功制备了高Pr含量的轻稀土PrxCe1-xFe1.9合金,所有样品均表现为单一的立方Laves相结构,证明了高压退火方法是合成高Pr含量立方Laves相的有效手段。而随着Pr含量增大,样品的晶格常数表现出非线性的增长趋势,暗示随着Ce含量的变化,Ce的价态可能向着局域态变化。同时,样品的居里温度随着Pr含量的增大而升高,说明Pr含量的增加使得3d-3d电子的耦合作用变强。室温磁致伸缩的测量表明,随着Pr含量的增大.,样品的饱和磁致伸缩值逐渐变大,当Pr含量为80%时样品低场下更容易饱和并且具有最大的λ/K1值,表明Pr0.8Ce0.2Fe1.9合金具备很好低场下的室温磁致伸缩性能。低温磁致伸缩测量表明,在5K、50kOe的外磁场下,PrFe1.9样品在平行于外磁场方向上的磁致伸缩值达到了3700ppm,而少了Ce的掺入显著的降低了样品的磁致伸缩性能；由样品的变温磁致伸缩曲线,我们推断在整个温度区间内,Ce离子都表现出变价的行为,正是由于Ce的这种非局域的特性,掺Ce的样品没有表现出大的磁致伸缩性能。2. PrFe1.9合金低温下巨磁致伸缩性能及磁相变的研究采用熔炼加后续高温高压退火的方法成功制备了PrFe1.9合金,样品表现为单一的立方Laves相结构。5T恒定外磁场下的M-T曲线表明PrFe1.9合金在10K-100K的温度区间内有一个磁相变,由低温下易磁化方向为<100>的相转变为高温下易磁化方向为<111>的相。依据磁有序性与晶格结构的耦合关系,我们推断在此温度区间也存在着结构的变化,低温下的精细XRD图谱证实了相变温度区间内样品的晶格结构确实发生了变化。XRD拟合曲线表明在相变温区内样品处在菱方与四方相的共存态,并且随着温度的变化,共存态也发生了变化,依据铁磁体中磁同型相界理论,我们推断PrFe1.9合金中存在类似的磁同型相界。由初始磁化曲线计算得到的各温度下磁晶各向异性常数K1结果表明在温度为50K时,K1存在极小值。5kOe外磁场下的变温磁致伸缩曲线表明随着温度的升高,样品的磁致伸缩有明显的增加,表明样品的磁晶各向异性值明显变小,这与计算出的磁晶各向异性常数的变化规律一致。在50K、90kOe的高磁场下样品产生了7670ppm的磁致伸缩值(λ11-λ┹),通过对晶格畸变引起的XRD衍射峰的劈裂的计算显示,温度为50K时晶体在<111>方向上的内禀磁致伸缩值达到了11000ppm,远大于单离子模型计算出的<111>方向上的磁致伸缩值。相应的计算结果表明低温下PrFe1.9合金的λ100表现出很大的值,这也难以用单离子模型去解释,有待进一步研究。3. PrxNd1-xFe1-9和PrxTb1-xFe1.9合金低温磁致伸缩性能的研究研究了Pr-Nd-Fe、Pr-Tb-Fe立方Laves相合金的低温下的结构、磁性能和磁致伸缩性能。对于PrxNd1-xFe1.9合金体系,室温XRD图谱表明样品均表现为单一的立方Laves相结构；5K时样品的初始磁化曲线表明此温度下PrFe1.9比NdFe1.9具有更大的磁晶各向异性值,而少量Nd的掺入就明显的改善合金低场下的磁性能,降低磁晶各向异性。从归一化的初始磁化曲线看出Pr0.2Nd0.8Fe1.9具有最小的磁晶各向异性,因此Nd的掺入实现了降低低温下合金磁晶各向异性的目的。PrxNd1-xFe1.9合金5K时变场磁致伸缩的研究表明Pr0.2Nd0.8Fe1.9确实表现出较高的低场磁致伸缩性能。同时,由变场磁致伸缩曲线可以推断样品高场下巨大的磁致伸缩效应主要来源于稀土Pr的贡献。由5kOe下各样品的λ11-T曲线看出Nd的掺入明显的提高了合金低场下的磁致伸缩性能,特别是在低温度下,Pr0.2Nd0.8Fe1.9、Pr0.8Nd0.2Fe1.9合金的磁致伸缩值比PrFe1.9样品的磁致伸缩值大一倍。Pr0.8Nd0.2Fe1.9合金在100K时平行方向上的磁致伸缩值达到了1082ppm,使得它在此温度附近具有潜在的应用价值。对PrxTb1-xFe1.9合金低温下磁致伸缩性能的研究表明Tb的掺入没能降低合金的磁晶各向异性,因此没能改善合金低场下的磁致伸缩性能。