Fe-Ga-Al磁致伸缩材料及其在致动器中的应用研究

论文摘要

以Ga、Al等无磁性原子替代Fe后形成的Fe基合金具有较大的磁致伸缩和饱和磁化强度以及较低的饱和磁场和磁晶各向异性,并且具有较高的硬度和良好的机械加工性能,同时由于不含有稀土元素,因而价格相对较低,因此,Fe基新型磁致伸缩材料在致动器和换能器等领域具有广阔的应用前景。本文选择了"Fe-Ga-Al磁致伸缩材料及其在致动器中的应用研究”这一既具有科学价值又具有工程实际意义的课题,以期对新型磁致伸致动器的开发及应用提供技术指导。本文的主要工作如下:采用合金熔炼方法制备Fe98-xGaxAl2、Fe96-xGaxAl4、Fe(94-xGaxAl6、Fe100-y(Ga0.75Al0.25)y和Fe98-zGa2Alz五个系列共21个合金样品,研究了合金样品的显微结构和磁性,确定合金的成分、结构与热处理工艺之间的变化关系。在研究合金样品的成分和显微结构的关系基础上,建立了Fe-Ga-Al三元系富Fe区合金的650℃等温截面和Fe-(Ga0.75Al0.25)垂直截面,发现当少量Al替代Fe-Ga合金中Ga时,D019单相区快速减小,与Fe-Ga二元系相图相比A2和L12单相区右移,D019单相区消失。根据相图研究结果和磁致伸缩理论,预测了磁致伸缩性能最优化成分区域。采用磁致伸缩测试仪器,研究了Fe82Ga18-xAlx（3≤x≤13.5）合金的磁致伸缩性能,确定磁致伸缩性能最佳成分的合金。发现Fe82Ga9Al9合金磁致伸缩系数最大,达到88ppm;经过磁场热处理后,磁致伸缩系数达114ppm,为目前电弧炉熔炼Fe基合金中磁致伸缩系数最大值。采用定向凝固方法制备取向Fe82Ga9Al9磁致伸缩棒状样品,研究了取向磁致伸缩棒状样品的结构、磁致伸缩等性能,发现Fe82Ga9Al9磁致伸缩棒状样品在不加压力条件下磁致伸缩为135ppm,在53MPa预应力条件下磁致伸缩为221ppm,高于美国犹他大学N.Srisukhumbowornchai的磁致伸缩数值。应用研制的Fe82Ga9Al9磁致伸缩棒设计、制作了新型的磁致伸缩致动器。在对磁致伸缩致动器的磁路、水冷系统、预压机构等方面的设计基础上,制作了Fe-Ga-Al新型磁致伸缩致动器。测试了致动器的位移输出特性,结果表明驱动电流较小时,Fe-Ga-Al材料新型磁致伸缩致动器的输出位移具有较好线性度。与稀土超磁致伸缩致动器相比,Fe-Ga-Al材料磁致伸缩缩致动器具有更高的精度。设计并制作了高真空磁场热处理装置。该装置由直流磁场发生装置、真空系统和加热系统三部分组成。测试表明研制的高真空磁场热处理装置的炉腔内真空度最高为104-4Pa数量级,最大磁场可达240kA/m,最高加热温度为800摄氏度,达到了设计的要求。利用自行研制的磁场热处理装置对Fe-Ga-Al合金和Terfenol-D材料进行了磁场热处理,结果表明磁场热处理装置工作良好,通过处理可显著的提高材料的磁致伸缩性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 磁致伸缩简介
• 1-1-1 磁致伸缩效应
• 1-1-2 磁致伸缩的起源
• 1-1-3 磁致伸缩的唯象理论
• §1-2 磁致伸缩材料简介
• 1-2-1 磁致伸缩材料的发展
• 1-2-2 磁致伸缩材料的分类
• 1-2-3 磁致伸缩材料的特性
• 1-2-4 Terfenol-D磁致伸缩材料
• §1-3 Fe-Ga-Al磁致伸缩材料的研究概况
• 1-3-1 Fe-Ga磁致伸缩材料
• 1-3-2 Fe-Ga-Al磁致伸缩材料的研究进展
• §1-4 磁致伸缩致动器及其应用
• 1-4-1 磁致伸缩器件简介
• 1-4-2 磁致伸缩致动器的结构
• 1-4-3 磁致伸缩致动器的发展
• §1-5 论文的意义及主要研究工作
• 第二章 实验方法与原理
• §2-1 样品制备
• 2-1-1 多晶样品制备
• 2-1-2 取向样品制备
• 2-1-3 真空磁场热处理
• §2-2 结构分析
• 2-2-1 X射线衍射分析
• 2-2-2 金相显微观察
• 2-2-3 扫瞄式电子显微镜（SEM）分析
• §2-3 磁性测试
• 2-3-1 磁性材料特性测试系统
• 2-3-2 磁性转变温度测量
• 2-3-3 振动样品磁强计
• 2-3-4 静态磁致伸缩测量
• 第三章 Fe-Ga-Al磁致伸缩材料的结构与相图
• §3-1 Fe-Ga-Al合金样品的成分及热处理
• §3-2 Fe-Ga-Al合金的显微结构
• 98-xGa_xAl₂合金的显微结构'>3-2-1 Fe_98-xGa_xAl₂合金的显微结构
• 98-xGa_xAl₂合金的磁化强度'>3-2-2 Fe_98-xGa_xAl₂合金的磁化强度
• 96-xGa_xAl₄合金显微结构'>3-2-3 Fe_96-xGa_xAl₄合金显微结构
• 73Ga₂₁Al₆和Fe_100-y(Ga_0.75Al_0.25)_y合金的显微结构'>3-2-4 Fe₇₃Ga₂₁Al₆和Fe_100-y(Ga_0.75Al_0.25)_y合金的显微结构
• 100-x(Ga_0.75Al_0.25x合金的磁化强度'>3-2-5 Fe_100-x(Ga_0.75Al_0.25x合金的磁化强度
• §3-3 Fe-Ga-Al合金的相图与性能预测
• 3-3-1 Fe-Ga-Al三元系合金相图
• 3-3-2 磁致伸缩性能预测
• §3-4 本章小结
• 第四章 Fe-Ga-Al合金的磁致伸缩性能
• §4-1 多晶Fe-Ga-Al合金的磁致伸缩
• 4-1-1 样品的制备
• 4-1-2 显微结构
• 82Ga_18-xAl_x合金的磁致伸缩'>4-1-3 Fe₈₂Ga_18-xAl_x合金的磁致伸缩
• 82Ga₉Al₉合金的磁致伸缩'>4-1-4 压应力作用下的Fe₈₂Ga₉Al₉合金的磁致伸缩
• §4-2 〈100〉方向取向的Fe-Ga-Al合金的磁致伸缩
• 4-2-1 取向Fe-Ga-Al合金样品的制备
• 4-2-2 取向Fe-Ga-Al合金的磁致伸缩
• 82Ga₉Al₉合金磁致伸缩的影响'>4-2-3 压力对Fe₈₂Ga₉Al₉合金磁致伸缩的影响
• 82Ga₉Al₉合金磁致伸缩的影响'>4-2-4 温度对Fe₈₂Ga₉Al₉合金磁致伸缩的影响
• §4-3 本章小结
• 第五章 磁致伸缩致动器的研究
• §5-1 磁致伸缩致动器的结构设计
• 5-1-1 磁致伸缩致动器的线圈设计
• 5-1-2 磁致伸缩致动器预压应力机构设计
• 5-1-3 磁致伸缩致动器水冷机构设计
• §5-2 磁致伸缩致动器的输出位移特性
• 5-2-1 预压应力条件下致动器中磁致伸缩棒特性
• 5-2-2 致动器静态位移测试
• 5-2-3 致动器的静态位移输出特性
• 5-2-4 致动器的输出位移与预加压应力之间的关系
• §5-3 温度对致动器输出位移的影响与输出位移滞回特性
• 5-3-1 温度对致动器输出位移的影响
• 5-3-2 致动器的输出位移滞回特性
• §5-4 本章小结
• 第六章 真空磁场热处理装置及其应用
• §6-1 真空磁场热处理装置的设计
• 6-1-1 总体结构设计
• 6-1-2 直流磁场发生装置的设计
• 6-1-3 真空系统的设计
• 6-1-4 加热系统的设计
• §6-2 真空磁场热处理装置的制作
• 6-2-1 制作与安装
• 6-2-2 装置的调试
• 6-2-3 主要技术性能参数
• §6-3 真空磁场热处理装置的应用
• 6-3-1 磁场热处理对Fe-Ga-Al合金磁致伸缩性能的影响
• 6-3-2 磁场热处理对Terfenol-D材料磁致伸缩性能的影响
• §6-5 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间所取得的相关科研成果