摘 要
超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料，受到世界高技术领域专家们的极大关注，发展迅速。美国、日本等国家对其制备工艺、成分、相结构、磁结构和性能做了大量研究工作，技术已经日趋成熟。但是稀土超磁致伸缩材料是铁磁导电物质，当外加磁场强度变化时，将在介质中产生涡流，使材料发热，而且交变磁场频率越高，涡流越强烈，从而限制了磁致伸缩材料在超声技术中的应用。树脂基稀土超磁致伸缩复合材料（Giant Magnetostrictive Powder Composite，GMPC）的出现，解决了这个问题。其上限频率可达100kHz，这就大大扩充了超磁致伸缩材料在高频超声技术中的应用，具有极大的发展前景。
本论文旨在：（1）设计、研制一套适用于GMPC的制备成型模具，包括磁场的施加措施等；（2）采用手工破碎制粉技术和自行设计的成型模具、用粉末粘结法制备出性能良好的GMPC，对其磁致伸缩、电阻等性能进行综合测试分析；（3）研究GMPC的磁场成型工艺对其磁性能的影响规律，从而探索出GMPC的最佳制备工艺。
实验采用D8-ADVANCE型X射线衍射仪进行材料结构及物相分析，用JSM-5610LV型扫描电镜观察样品组织及颗粒表面形貌，用4×BⅡ型（双目）金相显微镜观察试样的金相显微组织，采用OMEC SCF-106型激光粒度分析仪测试粉体的粒度，采用TG328A型分析天平测量合金和复合材料的密度，用Aglient4294A型动态阻抗分析仪测量GMPC的动态电阻率，采用直流电桥电阻应变片法测量样品的磁致伸缩系数。
实验得到如下结论：（1）采用非自耗电弧炉熔炼-烧铸技术，通过控制热流方向，制备出较高性能的稀土超磁致伸缩合金。实验表明，所制备的合金棒具有明显的Laves相结构的ReFe2相，合金组织均匀，且具有一定的择优生长，磁致伸缩量在本实验条件下最大可达782×10-6，是较理想的磁致伸缩合金；（2）采用手工破碎制粉技术和自行设计的成型模具、用粉末粘结法能够制备性能良好的GMPC。所制备得的GMPC最大磁致伸缩量λm最高可达491.3×10-6，与原材料Terfenol-D的磁致伸缩量（近705.6×10-6）相比，λm只降低了约30％；（3）在其它制备工艺条件相同时，经磁场成型的GMPC其λm(最大磁场为400kA/m下的磁致伸缩)为491.3×10-6，而未经磁场成型的λm为402.6×10-6，说明在磁场下成型可以使晶粒有很好的定向，从而提高了复合材料的磁致伸缩性能；（4）GMPC电阻率测量结果表明，所制备的样品电阻率约为32×10-2Ω·m，比合金Terfenol-D的电阻率约大四个数量级，说明制备的GMPC将具有较好的高频磁性能，通过对GMPC组织形貌进行分析，发现GMPC组织均匀，很少有气孔，致密度很高。
另外，对掺Ho合金制备过程中出现的蘑菇进行了研究。从实验得到如下结论：（1）对掺Ho合金蘑菇析出物的研究发现：经退火处理后，随着Ho含量的增加，“蘑菇”状析出物越多，析出的“蘑菇”为多相组织，主要包括DyFe2相、RE(Tb,Dy)5Si3和稀土氧化物相，还存在少量其它杂质；（2）“蘑菇”的析出（过量稀土元素的析出），使得基体成分优化为Tb0.2234Dy0.678Ho0.354Fe2，从而具有较好的磁致伸缩性能，理论上，蘑菇的出现是由于能量最小化作用的结果；（3）随着Ho含量的增加，合金的磁致伸缩系数先减小，含量为0.15时，达最小值213.5×10-6，随后又渐渐升高，含量为0.25时， 达538.8×10-6。含量为0.25时，合金样品中析出的“蘑菇” 磁致伸缩系数最小，为114.2×10-6。
关键词：Terfenol-D；磁致伸缩；复合材料；制备；掺Ho；蘑菇
目 录
摘要……………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract…………………………………………………………………………Ⅲ
1 绪论…………………………………………………………………………1
1.1 引言…………………………………………………………………………1
1.2 超磁致伸缩材料性能及其研究现状……………………………………………………1
1.2.1超磁致伸缩材料的性能特点…………………………………………………………1
1.2.2超磁致伸缩复合材料的性能………………………………………………………… 2
1.2.3超磁致伸缩材料与超磁致伸缩复合材料综合性能比较…………………………… 2
1.2.4超磁致伸缩材料的研究现状………………………………………………………… 3
1.2.4.1超磁致伸缩合金的研究现状………………………………………………………………………3
1.2.4.2超磁致伸缩复合材料的研究现状…………………………………………………………………3
1.3 稀土-铁系超磁致伸缩材料的制备技术………………………………………………………3
1.3.1“一步法”新工艺……………………………………………………………………………………3
1.3.2粉末冶金法…………………………………………………………………………………………4
1.3.3薄膜制备技术………………………………………………………………………………………5
1.4 工艺参数的优化选择……………………………………………………………………5
1.4.1颗粒尺寸的选择………………………………………………………………………………… 5
1.4.2成型压力的选择……………………………………………………………………………………6
1.4.3树脂含量的选择………………………………………………………………………………… 6
1.4.4其它 …………………………………………………………………………………6
1.5超磁致伸缩材料的应用 …………………………………………………………………6
1.6 GMM应用市场分析………………………………………………………………………7
1.6.1国内外市场需求…………………………………………………………………………7
1.6.2GMM的市场前景………………………………………………………………………8
1.7 本课题的研究内容及意义 ………………………………………………………………8
2 实验准备工作 ……………………………………………………………9
2.1 材料的准备 ………………………………………………………………………9
2.1.1合金的准备 …………………………………………………………………………9
2.1.2 树脂粘结剂主要成份的选择 ………………………………………………………9
2.1.2.1树脂的选择 ………………………………………………………………………………………9
2.1.2.2固化剂的选择 ……………………………………………………………………………………9
2.2模具的设计、研制 ………………………………………………………………………10
2.3 测试方法…………………………………………………………………………………12
2.3.1分析测试方法…………………………………………………………………………12
2.3.2 磁致伸缩系数(λ)的测量………………………………………………………………12
2.3.3 GMM和GMPC密度的测量…………………………………………………………13
3 合金的制备…………………………………………………………………14
3.1 GMM制备………………………………………………………………………………14
3.1.1合金制备………………………………………………………………………………14
3.1.2合金的XRD分析………………………………………………………………………14
3.1.3合金的SEM分析………………………………………………………………………15
3.1.4合金的磁致伸缩系数…………………………………………………………………16
4 超磁致伸缩复合材料的制备及性能测试…………………………………17
4.1 GMPC制备………………………………………………………………………………17
4.2 GMPC性能测试与结果讨论……………………………………………………………17
4.2.1 GMM合金粉末粒度分析……………………………………………………………17
4.2.2磁致伸缩常数的测量…………………………………………………………………18
4.2.3 组织形貌的观测………………………………………………………………………19
4.2.4合金和复合材料的密度测定结果……………………………………………………19
4.2.5复合材料的电阻率测定结果…………………………………………………………19
4.3 关于GMPC制备的总结………………………………………………………………20
5 掺Ho超磁致伸缩材料合金退火后“蘑菇”状析出物研究………………21
5.1 掺Ho超磁致伸缩合金退火后“蘑菇”析出……………………………………………21
5.2 基体棒和“蘑菇”分析………………………………………………………………… 21
5.2.1组织形貌分析 ……………………………………………………………………… 21
5.2.2成分分析 ……………………………………………………………………………22
5.2.3XRD物相及结构分析…………………………………………………………………23
5.3 磁致伸缩常数的测量 ………………………………………………………………… 25
6 结论………………………………………………………………………22
谢辞 ……………………………………………………………………………26
参考文献 ………………………………………………………………………27
