專利名稱：一種高電阻率磁致伸縮復(fù)合材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
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本發(fā)明屬于磁性材料領(lǐng)域，涉及一種新型磁致伸縮材料的成分及制造工藝。
背景技術(shù)：
鐵磁體在外磁場(chǎng)中被磁化時(shí)，其長(zhǎng)度及體積均發(fā)生變化，這個(gè)現(xiàn)象被稱為磁致伸縮或磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮的量用磁致伸縮系數(shù)人表示，定義為X=AL/L(L為材料樣品原始長(zhǎng)度，AL為磁化狀態(tài)改變時(shí)樣品發(fā)生的變化)。磁致伸縮材料大致上主要有三大類(l)磁致伸縮的金屬與合金，如鎳基合金(Ni， Ni-Co， Ni-Co-Cr等)和鐵基合金(Fe-Ni， Fe-Al， Fe-Co-V等)；(2)鐵氧體(Ni-Co， Ni-Co-Cu鐵氧體材料等)磁致伸縮材料，這兩種稱為傳統(tǒng)磁致伸縮材料；(3)以Tb-Dy-Fe材料為代表的稀土金屬間化合物磁致伸縮材料，其中Tbo.3Dyo.7FeL.95材料的X達(dá)到1500 2000xl(T6，它比磁致伸縮的金屬與合金和鐵氧化磁致伸縮材料的 i大1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。傳統(tǒng)的磁致伸縮材料雖然具有居里溫度高和機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)，但是它們的磁致伸縮系數(shù)較低(20 80xl0'";以Terfenol-D為代表的超磁致伸縮材料雖然具有磁致伸縮大等優(yōu)良性能，但是也存在一些缺點(diǎn)，如材料抗拉伸能力弱，質(zhì)地較脆，原材料的成本較高等；2000年美國(guó)的Guruswamy S等人報(bào)道了一種由Fe和Ga組成的二元合金具有較高的X值，另外還具有強(qiáng)度高，脆性小，低的飽和磁化場(chǎng)，高的磁導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，它能很好的填補(bǔ)傳統(tǒng)磁致伸縮材料和超磁致伸縮材料之間的空白，同時(shí)又較好的保持了它們的優(yōu)點(diǎn)，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型磁致伸縮材料。
Fe-Ga(Galfenol)合金的制備方法主要為定向凝固法，其次還有甩帶快淬法和軋制法。然而以上幾種工藝制備的都是純金屬材料，材料的電阻都比較小。閉合導(dǎo)體處于交變磁場(chǎng)中，交變的磁通量使閉合導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，形成渦電流，假如導(dǎo)體是純金屬的，則由于電阻很小，產(chǎn)生的渦電流很大，從而造成渦流損耗。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出Fe-Ga基磁致伸縮材料，是由合金粉末和粘結(jié)劑兩部分組成的復(fù)合材料，目的是提高材料的電阻率，同時(shí)簡(jiǎn)便制備工藝，降低成本。
本發(fā)明由合金粉末和粘結(jié)劑兩部分組成，合金成分主要由Fe和Ga組成，其化學(xué)式為Fei.xGax，其中x為10~30at%，粘結(jié)劑為非金屬材料，粘結(jié)劑占粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)<20%。所述粘結(jié)劑選擇環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、苯酚樹脂中的一種。一種Fe-Ga基磁致伸縮復(fù)合材料制備方法，具體步驟為
a) 將澆注成的Fe-Ga基母合金鑄錠制粉，采用氣體霧化或氣流磨制粉方法，氣體霧化制粉工藝參數(shù)為加熱溫度為1450~1650°C，保溫5~15分鐘，霧化壓力為2 5MPa，霧化氣體為惰性氣體；氣流磨制粉工藝參數(shù)為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為3000~5000r/min，氣流載體為氮?dú)饣蚨栊詺怏w。粉末粒度分布在l~300nm。這兩種方法制備的合金粉末具有好的球形度，可以保證材料具有優(yōu)良的綜合性能。
b) 將制取的合金粉末與粘結(jié)劑均勻混合，然后在取向磁場(chǎng)壓機(jī)中進(jìn)行壓制成形，得到Fe-Ga基磁致伸縮復(fù)合材料。將壓制成型后的材料在氬氣氛圍保護(hù)中進(jìn)行固化處理，根據(jù)不同的固化劑采取不同的固化溫度， 一般固化溫度從5(TC 25(TC不等，固化時(shí)間從0.5 4h不等。
所述壓制成型為取向壓制成形，取向磁場(chǎng)為1~8T，壓制壓力為100 1000MPa。發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明材料添加了粘結(jié)劑，使材料的電阻增加，高頻下渦流損耗明顯得到改善，同時(shí)利用取向壓制成型的方法又保證了復(fù)合材料具有較高的磁致伸縮性能。
2、 本發(fā)明材料可以制成各種復(fù)雜形狀的磁體，能滿足器件對(duì)合金材料形狀的特殊要求。
3、 本發(fā)明材料制備工藝條件簡(jiǎn)便，成本低。
圖1實(shí)施例1粉末顆粒的微觀形貌
圖2實(shí)施例1粘結(jié)材料的磁致伸縮曲線圖3實(shí)施例1粘結(jié)材料的X射線衍射圖譜圖4實(shí)施例2粉末顆粒的微觀形貌
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明粘結(jié)Fe-Ga基磁致伸縮復(fù)合材料的化學(xué)式表示為Fei.xGax，其中Ga的含量為10~30at%。
(一)氣體霧化制備Fe83Gan合金粉末并利用粉末制備粘結(jié)材料
澆鑄母合金，用高精度電子天平稱取所需的Fe、 Ga原料，考慮到Ga易揮發(fā)的特點(diǎn)，配料時(shí)多加入2wt。/。的燒損，將其放入真空感應(yīng)爐的坩堝里，將澆鑄模放在感應(yīng)爐內(nèi)的坩堝旁，轉(zhuǎn)動(dòng)坩堝模擬澆鑄看看澆鑄模位置是否合理，然后將配好的原料放入坩堝，抽真空到5xl0—Spa后充氬氣到0.5MPa，保護(hù)原料不被氧化，開始熔煉，電壓控制在20-50kV之間使原料快速熔化，待熔化完全后精煉3分鐘，隨后在爐內(nèi)澆鑄成合金錠。
將澆注的合金錠進(jìn)行表面去除氧化皮，然后放入氣體霧化室的坩鍋中，抽真空至5Xl(T2Mpa,充入高純氬氣至1個(gè)大氣壓，將合金錠加熱至1580'C保溫5分鐘，然后用高純氬氣為霧化氣體進(jìn)行霧化制粉，霧化壓力為3.4MPa。霧化所得的粉末絕大部分為圓球狀，如圖l所示。其顆粒尺寸分布在2 150]uni。將霧化所得的粉末篩分成粒度不同的三組，選取粒度〈25nm的粉末制備粘結(jié)樣品。
選用環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)劑，其密度為l.l~1.2g/cm3，粘結(jié)劑占粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，將稱量好的粘結(jié)劑倒入丙酮溶液中攪拌使其充分溶解，將稱量好的合金粉末倒入含有粘結(jié)劑的丙酮溶液中，攪拌使其均勻混合直至丙酮完全揮發(fā)，將混合后的粉末放入壓機(jī)中壓制成型，壓制時(shí)采用1.8T的外加磁場(chǎng)對(duì)粉末進(jìn)行取向壓制，成型壓力為700MPa，將壓制成型的樣品在氬氣氛圍保護(hù)下于170'C固化1小時(shí)，得最終樣品，樣品尺寸為(M2mmxl8mm。得到樣品的磁致伸縮值為130x10—6，電阻率為48.8^m(鑄態(tài)Fe-Ga合金電阻率為9.74X l(T7QTn )，密度為6.50g/cm3 (理論密度為6.82 g/cm3)。
將上述過程制備的粘結(jié)Fe83Gan磁致伸縮復(fù)合材料，利用電阻應(yīng)變法測(cè)量樣品的磁致伸縮值，如圖2所示。采用X-ray衍射進(jìn)行樣品取向分析，如圖3所示。
(二)氣流磨制備？672.50&27.5合金粉末并利用粉末制備粘結(jié)材料
澆鑄母合金，用高精度電子天平稱取所需的Fe、 Ga原料，考慮到Ga易揮發(fā)的特點(diǎn)，配料時(shí)多加入2wtM的燒損，并將其放入真空感應(yīng)爐的坩堝里，將澆鑄模放在感應(yīng)爐內(nèi)的坩堝旁，轉(zhuǎn)動(dòng)坩堝模擬澆鑄看看澆鑄模位置是否合理，然后將配好的原料放入坩堝，抽真空到5xlO—Spa后充氬氣到0.5MPa保護(hù)原料不被氧化，開始熔煉，電壓控制在20-50kV之間使原料快速熔化，待熔化完全后精煉3分鐘，隨后在爐內(nèi)澆鑄成合金錠。
將Fe72.5Ga27.5合金錠表面去除氧化皮，機(jī)械破碎至粒度為0.2mm左右放入氣流磨中進(jìn)行細(xì)磨，氣流磨轉(zhuǎn)速為5000r/min。得到的Fe72.5Ga27.5合金顆粒盡寸分布在2~100^im，顆粒形貌如圖4所示，將得到的合金粉末篩選為不同的粒度。選用〈4(Him的粉末制備粘結(jié)樣品。
粘結(jié)劑采用環(huán)氧樹脂，其密度為l.l~1.2g/cm3，粘結(jié)劑占粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，將稱量好的粘結(jié)劑倒入丙酮溶液中攪拌使其充分溶解，將稱量好的合金粉末倒入含有粘結(jié)劑的丙酮溶液中，攪拌使其均勻混合直至丙酮完全揮發(fā)，將混合后的粉末放入壓機(jī)中壓制成型，壓制時(shí)采用3T的外加磁場(chǎng)對(duì)粉末進(jìn)行取向壓制，成型壓力為400MPa，將壓制成型的樣品在氬氣氛圍保護(hù)下于20(TC固化2小時(shí)，得最終樣品，樣品尺寸為012mmxl8mm。得到樣品的磁致伸縮值為100X10—6，電阻率為8.5^m(鑄態(tài)Fe-Ga合金電阻率為9.74X 10—7Q'm)，密度為6.46g/cm3 (理論密度為6.82 g/cm3)。
權(quán)利要求
1、一種高電阻率磁致伸縮復(fù)合材料，其特征在于由合金粉末和粘結(jié)劑兩部分組成，合金粉末的化學(xué)式為Fe1-xGax，其中x為10～30at％，粘結(jié)劑占粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)<20％。
2、 如權(quán)利要求1所述的高電阻率磁致伸縮復(fù)合材料，其特征在于所述粘結(jié)劑 選擇環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、苯酚樹脂中的一種。
3、 一種高電阻率磁致伸縮復(fù)合材料的制備方法，其特征在于a) 將澆注成的Fe-Ga基母合金鑄錠制粉，采用氣體霧化或氣流磨制粉方法，氣 體霧化制粉工藝參數(shù)為加熱溫度為1450~1650°C，保溫5~15分鐘，霧化壓力為 2 5MPa，霧化氣體為惰性氣體；氣流磨制粉工藝參數(shù)為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為3000~5000r/min， 氣流載體為氮?dú)饣蚨栊詺怏w，兩種方法制備的粉末粒度分布在l~300nm;b) 將制取的合金粉末與粘結(jié)劑均勻混合，然后在取向磁場(chǎng)壓機(jī)中進(jìn)行壓制成形， 得到Fe-Ga基磁致伸縮復(fù)合材料，將壓制成型后的材料在氬氣氛圍保護(hù)中進(jìn)行固化處 理，固化溫度5(TC 25(TC，固化時(shí)間從0.5 4h。
4、 如權(quán)利要求3所述的高電阻率磁致伸縮復(fù)合材料的制備方法，其特征在于 所述壓制成型為取向壓制成形，取向磁場(chǎng)為1~8T，壓制壓力為100~1000MPa。
全文摘要
一種高電阻率磁致伸縮復(fù)合材料及制備方法，涉及磁致伸縮材料成分及制造工藝。復(fù)合材料由合金粉末和粘結(jié)劑組成，合金粉末成分為Fe<sub>1-x</sub>Ga<sub>x</sub>，其中x為10～30at％，粘結(jié)劑為非金屬材料。其制備方法為按材料成分的要求，熔煉母合金，將母合金利用氣流磨、氣體霧化或其它方法破碎至粒度從幾微米到幾百微米不等的粉末；將制取的粉末與一定質(zhì)量的粘結(jié)劑混合均勻后取向壓制成型。合金粉末和粘結(jié)劑通過粘結(jié)工藝制備成復(fù)合材料，其具有高的電阻率和較高的磁致伸縮值，最大磁致伸縮系數(shù)達(dá)到130×10<sup>-6</sup>以上，電阻率可達(dá)48.8Ω·m。
文檔編號(hào)C22C38/00GK101476079SQ20091007708
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2009年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月20日
發(fā)明者包小倩, 周壽增, 張茂才, 賈俊成, 高學(xué)緒 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)