Mn掺杂对Fe81Al19合金磁致伸缩和输运性质的影响

徐世峰, 徐 丹, 侯志鹏, 张金宝, 苏 峰, 孙丽媛, 王文全

(1. 沈阳航空航天大学 理学院, 沈阳 110136; 2. 吉林大学 物理学院, 长春 130012)

由于在Fe中加入非磁性元素Al和Ga可形成替代式固熔体, 使其磁致伸缩系数增加十～几十倍[1], 且该合金具有饱和磁化场低、 磁场灵敏度高、 强度高、 韧性好、 脆性小、 可以热轧和价格低廉等优点, 因此关于该合金的研究已引起人们广泛关注[2-3]. 在Galfenol合金中, 元素替代有两种途径: 1) 替代非磁性Ga原子, 主要基于考虑Ga的电子结构特点选择第三种元素. 如Ga和Al原子的价电子结构相同, Fe-Ga-Al三元合金的磁致伸缩较大表明, Ga和Al在Fe的bcc结构中作用相似, 一定程度上可相互替代[4]. 在Fe-Rh合金中没有D03相区, 因此可避免有序相的影响, 但在Fe-Ga-Rh合金中出现了富Rh区, 使磁致伸缩降低[5]. 2) 替代磁性Fe原子, 掺杂磁性Ni元素是因为Ni的电子结构与Fe相似, 但加入Ni降低了λ100值和负的λ111值[6]; Co替代Fe原子可提高合金的居里温度, 但降低了磁致伸缩性能[7]. 由于Fe-Al合金的电阻率较低, 在交流中频段易产生涡流效应, 高频时涡流损耗大, 导致器件发热而降低效率, 从而限制了Fe-Al磁致伸缩材料的应用范围. 通过掺杂其他元素可提高Terfenol-D材料的室温电阻率, 但磁致伸缩性能下降较快[8]. 由于Mn元素与Fe元素的原子半径接近, 外层电子结构相似, 且金属Mn的电阻率较大, 因此Alfenol合金中掺杂Mn可获得较大的电阻率. 本文将Mn元素掺杂于Fe81Al19合金中, 研究Mn元素掺杂替代对Fe81Al19合金的相组成、 磁性、 磁致伸缩及输运性质的影响规律.

1 实 验

将质量分数大于99.95%的Fe,Mn,Al单质配制为Fe81-xMnxAl19(x=0～24)合金后, 在氩气保护下电弧熔炼为纽扣状合金锭子, 为保证所得合金锭子成相均匀, 反复熔炼4次, 由于Mn元素易挥发, 因此过量添加质量分数为3%的Mn元素, 熔炼后总质量损失小于0.5%. 利用日本理学D/Max2200PC型X射线衍射仪测定(CuKα辐射)样品的成相质量和结构参数, 利用美国Lakeshore7407型振动样品磁强计(VSM)测量材料的室温磁性, 用日本理学MPMS-7型超导量子干涉仪测量材料的低温磁性, 采用交流磁化率方法测量居里温度, 在国产HZ-3型电阻应变计上用标准电阻应变片的方法, 利用物科JDM-30型磁致伸缩测量仪测定样品的磁感生应变, 样品尺寸均为10 mm×10 mm×2 mm. 用四端法测量样品的电阻率, 测量温度100～300 K, 为减小实验误差, 样品用电火花切割机切割成规则的长条, 表面抛光, 尺寸为1 mm×1 mm×15 mm.

2 结果与讨论

图1 Fe73Mn8Al19合金的室温磁致伸缩曲线Fig.1 Magnetostrictive curves of Fe73Mn8Al19 at room temperature

图1为Fe73Mn8Al19合金的室温磁致伸缩曲线(未考虑退磁场效应). 由图1可见: 平行磁场方向的磁致伸缩(λpar)为正值, 垂直磁场方向的磁致伸缩(λper)为负值; Fe73Mn8Al19合金的磁致伸缩在80 kA/m达到饱和; Mn元素掺杂未产生磁滞后, 磁致伸缩可完全回复, 曲线线性度较好.

非取向多晶体在宏观上的磁致伸缩为各向同性, 该材料的磁致伸缩系数与样品的磁畴结构有关[9]. 当晶体的磁致伸缩为各向同性时,λ100=λ111, 因此磁致伸缩系数的表达式为λ=(3/2)λs(cos2θ-1/3), 其中θ为磁化强度(磁场方向)与测量方向间的夹角;λs为饱和磁致伸缩系数. 当θ=0时, 平行磁场方向的应变λpar=λs; 当θ=90°时, 垂直磁场方向的应变λper=-λs/2. 非取向多晶体材料的饱和磁致伸缩系数可用λtotal=3λs/2=λpar-λper表征, 但本文样品的磁致伸缩系数并不完全符合λpar=-2λper, 表明磁畴结构未完全随机取向, 磁畴取向受材料内部内应力的影响.

Fe81-xMnxAl19(x=0～24)合金的磁致伸缩系数随Mn元素质量分数的变化关系如图2所示. 由图2可见, Fe81-xMnxAl19合金的磁致伸缩系数随Mn元素质量分数的增加而降低, Fe81Al19样品的磁致伸缩系数最大, 为6.2×10-5. 在Fe81Al19合金中, 由于Mn元素掺杂替代使得无取向多晶体的磁致伸缩系数减小, 未得到与Mn掺杂Fe-Ga合金类似的结果[10]. 在Fe81Ga19合金中, 由于Mn元素掺杂替代使得无取向多晶体的磁致伸缩系数增大, 该磁致伸缩系数增大可用Akulov近似解释[5]: 由于λs=(2λ100+3λ111)/5, 因此在Akulov近似中无取向多晶的磁致伸缩系数与立方晶体的磁致伸缩系数λ100和λ111相关, 3d过渡族金属Mn掺杂使Fe-Ga合金的磁致伸缩系数λ100减小, 但λ111增大, 因此饱和磁致伸缩系数增大是由于λ111增大抵消了λ100减小所致. 此外, Mn元素掺杂未在Fe-Ga合金中形成第二相, 使得磁致伸缩系数未显著降低.

Fe81-xMnxAl19(x=0～24)合金的XRD谱如图3所示. 由图3可见, 铸态Fe81-xMnxAl19(x=0～24)合金的XRD谱可按bcc结构标定, Mn元素添加到Fe81Al19合金中, Fe81-xMnxAl19(x=0～24)合金并未改变Fe81Al19合金相结构, 仍为体心立方结构, 其中110峰为主峰, 200和211峰的相对强度与粉末样品各相应衍射峰强度相同, 表明合金中没有明显取向. 由于Fe原子比Mn原子半径小, 因此与Fe81Al19比较可见, 其相应峰的峰位向小角度方向移动, 晶格常数随Mn元素质量分数的增大而增大. 由Fe-Al合金相图[11]可知, Fe81Al19合金在大于570 ℃时为无序bccA2结构, 当慢冷至室温时生成部分有序的D03结构, 由于Fe原子和Al原子的散射因子相似以及原子半径相近, 导致D03相的超点阵峰极弱, 因此在XRD谱中未观察到D03结构的超晶格衍射峰, 无法确定合金锭中D03相的质量分数, 可借助相变和磁性转变温度测试, 以确定合金的室温相结构.

图2 Fe81-xMnxAl19合金的磁致伸缩系数随Mn元素质量分数的变化关系Fig.2 Dependence of magnetostrictive coefficient of Fe81-xMnxAl19 alloy on Mn mass fraction

图3 Fe81-xMnxAl19(x=0～24)合金的XRD谱Fig.3 XRD patterns of Fe81-xMnxAl19 (x=0～24)alloys

Fe81-xMnxAl19(x=0～24)合金和Fe57Mn24Al19样品的交流磁化率曲线如图4所示. 由图4(A)可见, Fe81Al19合金的居里温度Tc=905 K, 随着Mn元素质量分数的增加, 居里温度近线性减小, 这是由于 Fe-Mn原子间交换作用小于Fe-Fe原子间的交换作用所致. 由图4(B)可见, 样品约在400 K处发生D03(f)→D03(p)(f: 铁磁性;p: 顺磁性)转变. 由以上分析可知, 室温下铸态Fe81-xMnxAl19合金生成部分有序D03相, 即随着Mn元素的掺杂, 在Fe-Al合金多晶块体中生成了第二相, 且D03相的质量分数随Mn掺杂量的增多而增多, 由于D03结构的磁致伸缩系数λ100为负值[12], 且D03结构减少了A2相正的磁致伸缩系数, 因此Fe81-xMnxAl19合金的磁致伸缩系数降低.

图4 Fe81-xMnxAl19(x=0～24)合金(A)和Fe57Mn24Al19样品(B)的交流磁化率曲线Fig.4 AC susceptibility curves of Fe81-xMnxAl19 (x=0～24) alloys (A) and Fe57Mn24Al19 sample (B)

Fe81-xMnxAl19(x=0～24)合金的室温磁滞回线如图5所示. 由图5可见, 掺杂使得Fe-Al合金的饱和磁化强度均减小, 但所有样品几乎没有剩磁和矫顽力, 有利于磁致伸缩材料的反复磁化过程, 且室温饱和磁化场随Mn元素质量分数的增加而降低, 磁导率增大, 低场性能提高, 表明Mn替代可降低Fe-Al合金的各向异性, 有利于获得低场磁致伸缩效应.

由于Fe-Al合金的电阻率较低, 室温Fe81Al19合金电阻率为94 μΩ·cm, 与Terfenol-D材料的电阻率为同一数量级, 在交流中频段易于产生涡流效应, 限制了Fe-Al磁致伸缩材料的应用范围. Fe81-xMnxAl19合金电阻率随温度的变化关系如图6所示. 由图6可见, 所有样品的电阻率均随温度的升高而变大, 样品呈金属性. 这是由于随机分布的Mn原子对传导电子起散射中心的作用, 且Mn原子比Fe原子的自由电子数少, 以及Mn元素溶入Fe-Al合金后对Fermi球产生影响所致.

图5 Fe81-xMnxAl19(x=0～24)合金的室温磁滞回线Fig.5 Magnetic hysteresis loops of Fe81-xMnxAl19(x=0～24) alloys at room temperature

图6 Fe81-xMnxAl19(x=0～24)合金电阻率随温度的变化关系Fig.6 Dependence of electrical resistivity of Fe81-xMnxAl19 (x=0～24) alloys on temperature

综上, 本文研究了Mn元素掺杂替代对Fe81Al19合金多晶块体的结构、 磁性、 磁致伸缩及输运性质的影响. 结果表明: Fe81-xMnxAl19系列合金的磁转变温度和饱和磁化强度均随Mn元素质量分数的增加而降低; Mn元素掺杂提高了Fe-Al多晶合金的电阻率及磁致伸缩合金的交流频率使用范围; 降低了Fe-Al合金的各向异性, 提高了低场磁致伸缩效应.

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