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西安交通大學前沿院科研人員在高靈敏磁致伸縮材料領域取得重要進展
點擊數:    更新时间:2021/01/18 14:40:07

磁致伸縮材料具有感知磁場並産生驅動的智能特性,在大功率換能器、微位移控制系統和高精度機械加工裝備等諸多高技術領域不可或缺,因此在國際上備受重視。近年來,高技術領域的快速發展對磁致伸縮材料提出了兼具大磁應變和低驅動場 (高靈敏度)的苛刻要求。根據傳統的原理,這兩個技術指標相互矛盾,難以同時實現最優化,成爲研發高靈敏磁致伸縮材料的瓶頸。另外,現有的高性能磁致伸縮材料高度依賴于昂貴的稀缺重稀土戰略性元素,盡管通過制備單晶材料可使其磁應變最高化,但是大磁應變與低驅動場之間的原理性矛盾仍難以克服。因此,研發高靈敏的無稀土磁致伸縮材料具有迫切需求。

近日,西安交通大學前沿院馬天宇教授和任曉兵教授課題組在高靈敏無稀土磁致伸縮材料研究方面取得重要進展。他們基于大磁致伸縮Fe-Ga合金亞穩態和平衡態相結構差異顯著的特性,通過簡單的固溶+時效處理,在立方相基體中析出四方結構的納米第二相顆粒,利用兩相之間的磁彈相互作用,將多晶材料的磁致伸縮性能提高3倍,與單晶材料相當,同時大幅降低驅動場,使磁致伸縮靈敏度提高5倍(圖1),爲研制高靈敏無稀土磁致伸縮材料提供了新途徑。該工作以“Large and sensitive magnetostriction in ferromagnetic composites with nanodispersive precipitates爲題發表于自然出版集團刊物NPG Asia Materials 13 (2021) 6。編輯認爲該工作是磁致伸縮材料領域的重要貢獻(a significant contribution to the field,並特意撰寫題爲“Magnetic Materials: A Bigger Magnetic Movement”Editorial Summary介紹該文。論文第一作者爲前沿院博士生苟峻銘,通訊作者爲前沿院馬天宇教授和任曉兵教授。

1 基于納米析出相調控的高靈敏Fe-Ga磁致伸縮材料


在上述工作基礎上,他們將這種調控納米析出相提高磁致伸縮靈敏度的新方法應用于定向凝固Fe-Ga合金,使磁應變再提高40%、靈敏度再提高~60%。他们发现,定向凝固合金中的内应力会加快析出动力学,不仅影响析出相的尺寸与数量,还会在相界面形成新的析出相(圖2)。通過與鑄態多晶合金對比,他們研究並揭示了納米析出相尺寸、數量及種類對磁致伸縮性能的作用規律和機理,爲後續通過調控析出相進一步提高定向凝固Fe-Ga合金的磁致伸縮性能奠定了重要理論基礎。該工作以 “Dynamic precipitation and the resultant magnetostriction enhancement in [001]-oriented Fe-Ga alloys”爲題發表在金屬材料領域重要刊物Acta Materialia 206 (2021) 116631上。論文在審稿階段被三位審稿人同時推薦爲“publish as is”,被編輯部直接錄用。前沿院博士生苟峻銘也是該論文的第一作者,前沿院馬天宇教授爲通訊作者。

2 動態(含內應力擇優取向合金)和靜態(無應力鑄態多晶合金)時效后的微结构差异


兩篇論文的第一通訊作者的第一單位均爲西安交通大學前沿院,合作者包括課題組的研究生楊天子和喬睿華與訪問學者劉孝蓮博士,以及西北工業大學劉峰教授、中國工程物理研究院孫光愛研究員和中國科學院甯波材料所夏衛星研究員等。工作受到了國家自然科學基金委和金屬材料強度國家重點實驗室等共同資助。部分微結構表征得到了西安交通大學分析測試共享中心和西北工業大學分析測試中心的支持


論文1鏈接:https://doi.org/10.1038/s41427-020-00276-7

論文2鏈接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116631

馬天宇教授主頁:http://gr.xjtu.edu.cn/web/matianyu/home

 

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