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超磁致伸缩纳米多层膜制备及其性能研究

作　者: 李晓东
导　师: 孙卓
学　校: 华东师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 超磁致伸缩效应 Terfenol-D合金 纳米多层膜 XRD谱 M(o ¨)ssbauer谱 磁矩取向 磁各向异性
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


磁致伸缩效应是指铁磁材料在外磁场的作用下,铁磁材料的长度或体积发生变化的现象,而超磁致伸缩效应的发现和进展更是在应用领域显示了重要价值。由于超磁致伸缩材料具有非常强的磁致伸缩效应、很高的机电耦合系数、较快的响应速度以及非接触式驱动等优点而倍受关注,已被广泛应用于声纳、大功率超声器、精密机械以及功能/结构材料等领域。本文从制备精确组分为Tb0.27Dy0.73Fe2（Terfenol-D）薄膜和具有低场高灵敏度超磁致伸缩性能薄膜出发,制备了具有精确组分为Tb0.27Dy0.73Fe2的[Tb/Fe/Dy]n纳米多层膜和加入软磁层的[SL/Tb/Fe/Dy]n纳米多层膜。并研究了该纳米多层膜的结构、磁性能和超磁致伸缩性能以及磁化过程对超磁致伸缩性能的影响。其主要结果如下:1.通过使用单质分离Tb、Fe、Dy靶材制备具有精确组分为Tb0.27Dy0.73Fe2的[Tb/Fe/Dy]n纳米多层膜,其性能如下:（1）通过X射线能谱仪（EDX）与电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）测试表明两种不同条件下（室温条件和衬底温度300℃条件）制备的[Tb（2nm）/Fe（4nm）/Dy（3nm）]n纳米多层膜的精确组分为Tb0.27Dy0.73Fe2。（2） SEM形貌表明制备态下两种不同条件制备的[Tb/Fe/Dy]n纳米多层膜都具有垂直多层膜平面的微观柱状结构。（3）对于室温条件下制备的[Tb/Fe/Dy]n纳米多层膜有:a.[Tb/Fe/Dy]n纳米多层膜在制备态和300℃温度退火处理后,仍旧为非晶态,纳米多层膜样品在退火温度高于400℃时开始有对应于立方Laves相的R-Fe2的纳米晶出现,随着退火温度的升高,纳米晶粒逐步变大,并且有更多的Laves相晶体析出。b.M（o|¨）ssbauer谱和磁滞回线表明纳米多层膜样品的磁矩空间分布随着退火温度的升高而发生显著地变化。在制备态和退火温度为400℃时,纳米多层膜的磁矩空间取向为垂直面向分布,而在退火温度为300℃、500℃和600℃时,纳米多层膜磁矩的空间取向以面向分布为主。c.超磁致伸缩性能随着退火温度的升高,即纳米多层膜样品磁矩空间取向变化而变化。制备态和400℃退火处理后样品磁矩以垂直面向分布为主,超磁致伸缩难以达到饱和,样品超磁致伸缩性能随磁场的增大而近似线性增大:而300℃、500℃和600℃退火处理的纳米多层膜样品磁矩以面向分布为主,超磁致伸缩容易达到饱和。样品超磁致伸缩性能随外磁场的增大首先迅速增大,在磁场为0.32T下达到饱和。且在较低的磁场驱动下,远大于磁矩空间取向为垂直面向分布时的超磁致伸缩性能。（4）对于衬底加热300℃制备的[Tb/Fe/Dy]n纳米多层膜有:a.衬底加热制备的纳米多层膜样品在制备态下就有立方Laves相的R-Fe2的纳米晶析出。随着退火温度的升高,纳米晶粒尺寸逐步变大。b.磁滞回线表明,衬底加热制备的纳米多层膜样品在退火处理温度低于400℃时,磁矩的空间取向以垂直面向分布为主。在退火温度为500℃和600℃时,磁矩的空间取向以面向分布为主。c.衬底加热的纳米多层膜样品的超磁致伸缩性能也随着磁矩的空间取向而发生变化。（5）衬底加热条件下制备的纳米多层膜比室温条件下制备的纳米多层膜具有更优越的超磁致伸缩性能和低场下的超磁致伸缩灵敏度。（6）磁化过程与超磁致伸缩性能的关系也证明了超磁致伸缩性能与磁矩的空间取向密切相关。2.加入软磁层的[SL/Tb/Fe/Dy]n纳米多层膜的性能如下:（1）对于室温条件下制备的[Fe/Tb/Fe/Dy]n纳米多层膜样品,纳米多层膜样品在制备态和300℃退火处理,仍旧处于非晶态;在退火温度为400℃时,开始出现R-Fe2相和α-Fe相的纳米晶;随着退火温度的逐步升高,晶粒逐渐长大,在600℃退火处理后,纳米多层膜样品基本完全晶化。磁滞回线表明,由于软磁层的加入,使得纳米多层膜样品的磁性能有了显著提高,磁矩分布以面向分布为主,矫顽力变小而饱和磁化强度增大。软磁层Fe的加入使得超磁致伸缩性能也有大幅度的提高,饱和磁场降低为0.25T,并且比[Tb/Fe/Dy]n纳米多层膜具有更好低场灵敏度。（2）对于室温条件下制备的[FINEMET/Tb/Fe/Dy]n纳米多层膜样品,由于FINEMET合金薄膜比Fe薄膜具有更大的饱和磁化强度和更小的矫顽力,因而超磁致伸缩性能较加入Fe薄膜的纳米多层膜有显著的提高,且饱和磁化强度减小为0.19T。（3）衬底温度300℃制备的纳米多层膜样品在制备态下就有α-Fe相和R-Fe2相的纳米晶出现。300℃退火处理,并没有改变纳米多层膜样品的结构。随着退火温度的升高,晶粒的逐步变大,并且有更多的α-Fe相和R-Fe2相的纳米晶析出。磁滞回线表明,纳米多层膜样品的矫顽力随着退火温度的升高而变小,而饱和磁化强度随退火温度的升高而增大。超磁致伸缩性能随退火温度的升高而变大。

全文目录


摘要  6-9
Abstract  9-15
第一章 绪论  15-31
  第一节 应用背景  16-22
  第二节 磁致伸缩材料的研究现状  22-26
  第三节 未来发展趋势  26
  第四节 本论文的工作  26-27
  参考文献  27-31
第二章 磁致伸缩理论  31-44
  第一节 磁致伸缩的来源  31-35
  第二节 磁致伸缩的唯象理论  35-39
  第三节 R-Fe_2化合物磁致伸缩的原子模型  39-43
  第四节 本章小结  43
  参考文献  43-44
第三章 超磁致伸缩纳米多层膜制备及表征  44-58
  第一节 纳米多层膜的制备方法  44-47
  第二节 纳米多层膜的表征  47-54
  第三节 超磁致伸缩性能的测试装置  54-58
第四章[Tb/Fe/Dy]_n纳米多层膜结构、磁性能及超磁致伸缩性能研究  58-93
  第一节 磁化过程与磁致伸缩性能之间的关系研究  59-61
  第二节 室温条件下制备不同厚度[Tb/Fe/Dy]_n纳米多层膜超磁致伸缩性能研究  61-63
  第三节 室温条件下制备的[Tb/Fe/Dy]_n纳米多层膜的形貌、结构、磁性能及其超磁致伸缩性能研究  63-79
  第四节 衬底温度为300℃条件下制备[Tb/Fe/Dy]_n纳米多层膜的结构、磁性能及其超磁致伸缩性能的研究  79-89
  第五节 本章小结  89-91
  参考文献  91-93
第五章[SL/Tb/Fe/Dy]_n纳米多层膜超磁致伸缩性能及其磁性能研究  93-121
  第一节 软磁层对[Tb/Fe/Dy]_n纳米多层膜超磁致伸缩性能影响  94-96
  第二节 室温条件下制备的[SL/Tb/Fe/Dy]_n纳米多层膜超磁致伸缩性能及其磁性能研究  96-110
  第三节 衬底温度为300℃条件下制备的[Fe/Tb/Fe/Dy]_n纳米多层膜超磁致伸缩性能及其磁性能研究  110-118
  第四节 本章小结  118-119
  参考文献  119-121
第六章 全文总结与展望  121-124
  第一节 全文总结  121-122
  第二节 本文的创新点  122
  第三节 展望  122-124
攻读博士期间发表的论文  124-126
致谢  126

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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