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第六届全田表面工程学术套议 兰,II 2006年B月
超磁致伸缩薄膜低场性能及应用研究
刘吉延1,马世宁10
(1.全军装备维修表面工程研究中心,北京100072;
2.苒制造技术国防科技重点实验室,北京100072)
摘要:综述了超磁致伸缩薄膜低场性能的研究进展,详细论述了低磁场超磁致伸缩获取的途径,
讨论了超磁致伸缩薄膜在各种技术领域中的应用,并对超磁致伸缩薄膜材料的地位及其今后的发展
作出了展望。
关键词:薄膜,超磁致伸缩,低磁场,磁传感器
超磁致伸缩材料是一种重要的能量与信息转换功能材料,在许多应用领域呈现出重要的使用价
值及广阔的应用前景,从而受到人们的普遍关注。随着自动控制、微型机器人、纳米测量技术等高
新技术领域的发展以及信息技术的集成化、微型化、精确化发展要求,超磁致伸缩材料的薄膜化成
为必然趋势,超磁致伸缩薄膜研究取得了长足进展。超磁致伸缩薄膜因其具有大的磁致伸缩效应、
高频响应速率、非接触控制以及高的机电耦合系数等优点而逐渐将被广泛用于军事、航天航空、工
业、科技及民用等领域,展示出很好的应用潜力。
超磁致伸缩薄膜在微型机电系统等领域中的实际广泛应用,要求其在室温条件下能产生大的磁
致伸缩效应。研究表明,稀土.过渡族金属磁致伸缩材料具有高的居里温度Tc以及超磁致伸缩应变,
因而在超磁致伸缩薄膜领域具有非常重要的地位而备受关注。但另一方面,一般实际应用都要求磁
场大小要低于79.6kA/m,并且要求磁致伸缩材料在低磁场下要有足够大的磁化系数(Xx=d入l/d
(u
oH)2x10。寸1)。而且具有低的矫顽力(Il01%≤100mT)【l】.然而研究发现,稀土一过渡族金属
超磁致伸缩材料具有巨大的磁各向异性,需要在强磁场条WF才能表现其超磁致伸缩效应,从而限
制了其实际的广泛应用。因此,如何降低材料的磁各向异性、获取材料的低磁场下的超磁致伸缩性
能,成为近年来超磁致伸缩薄膜领域中的一大研究热点。各国研究者在超磁致伸缩薄膜低场性能方
面做了大量工作,取得了重要进展,并同时进行了实际应用研究。
1.超磁致伸缩薄膜的低场性能研究
1.1采用磁晶各向异性相反的稀土一过渡族金属配制赝二元系化合物
从而广泛应用于块体超磁致伸缩材料之中。而对Tb-Dy-Fe磁致伸缩薄膜的研究【2删表明,尽管Dy
元素的加入降低了,I.b.Fe薄膜的饱和其磁致伸缩入s,同时也降低了其居里温度Tc,如表1所示,但
对薄膜的低磁场下的磁致伸缩应变有一定程度的提高。
根据单离子模型,PrFe2应具有比DyFe2更大的各向异性磁致伸缩。因而利用稀土元素Pr部分
体系中各向异性的抵偿就要求高的Pr浓度。然而,如果稀土亚晶格中Pr含量超过20一--25%的话,
B元素的添加来抑制(Tb,Pr)Fe2体系中对磁致伸缩有危害的富铁相的生成,取得了较好的实验成
果。
1002
第六届全国表面工程学术会议 兰州 2006丰8月
表1.几种材料的饱和磁致伸缩应变九。及其居里温度Tc
1.2利用非晶材料的低宏观各向异性
非晶R.Fe合金中最有望得到室温下超磁致伸缩系数的是RFel.5【5t61;不过由于(Fe,Co)中
T-T间的铁磁耦合作用往往强于Fe基或Co基合金中1-T间的相互作用,从而可以提高合金的磁致
X
上,非晶Tb(Feo.4sCoo.55)2在2T的磁场下已得到入乱2=102010西的磁致伸缩系划刁。
磁致伸缩系数的影响进行了研究。发现co元素部分取代Fe元素可以明显降低非晶(Tbo.zTDyo.73)
(Fel.xCod薄膜的矫顽力,并提高薄膜的磁致伸缩系数。而磁场下的退火处理具有同样的效果,经
处理改善了薄膜的软磁性能瞄】:经TA=350。C的热处理后,poHc低于5mT,xx=1.8×10一下1(
poH=10mT时).
1.3材料纳米晶化
非晶TbDyFe薄膜应用于微系统技术的—个大的缺点就是其较低的居里温度Tc、400K。而多
晶Teffenol-D薄膜虽然具有高的居里温度Tc但由于其较高的矫顽力场因而并不适应于低磁场条件
下微系
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