MPB准同型相界对Laves相稀土合金磁弹效应的影响机理研究

Magnetostrictive materials are important magnetic functional materials that can be used as the key components in transducers and sensors. Recently, designing Laves-structure rare-earth alloys with the principle of morphotropic phase boundary (MPB) is a new route to study magnetostrictive materials. Based on our previous work, we propose to study the influence of MPB on magnetoelasticity of Laves-structure rare-earth alloys. First, the phase transition sequence of MPB compositions will be identified. Then, the observation of microscopic structure at MPB will be performed and we will analyze the relationship between magnetoelasticity, phase transition sequence, and microscopic structure. Finally, the Landau-theory-based model with phase field modelling method will be proposed to reveal how MPB influences the magnetoelasticity of Laves-structure rare-earth alloys, and answer the question that why magnetoelasticity can be enhanced in some MPB systems and weakened in others. Our work will shed light on designing high-performance Laves-structure magnetostrictive materials.

磁致伸缩材料是用于换能器和传感器的重要磁性功能材料。利用准同型相界(MPB)原理设计Laves相结构的铁磁稀土合金，是近年来研究和设计磁致伸缩材料的新途径。本项目拟在前期研究成果基础上，以不同MPB相界的相变路径对磁弹效应的影响为出发点，结合晶体结构对称性测试和微观结构观测，分析磁弹效应-相变路径-微观结构的关联，并基于相场模拟的方法建立朗道自由能理论模型，最终揭示MPB对Laves相铁磁稀土合金磁弹效应的影响机理，并阐述不同铁磁MPB体系中磁弹效应增强或减弱的原因。本项目的研究对于设计高性能MPB型Laves相磁致伸缩材料具有重要的理论意义和应用价值。

磁致伸缩材料可以实现磁能与机械能的相互转化，因此可以用于传感器、换能器、激励器等，是一类重要的功能材料。近半个世纪，在Laves相结构（RT2，R为稀土元素，T为过渡族元素如Fe、Co等）的材料中发现了许多具有大磁致伸缩效应的材料。尤其是近年来，在Laves相材料Tb1-xDyxCo2、Tb1-xGdxCo2、Tb1-xGdxFe2中观察到此前发现于铁电材料中的准同型相界（morphotropic phase boundary，MPB）。然而，前期实验发现，准同型相界对磁致伸缩效用的影响机制并不是单一（只增强或者只减弱）的。本项目紧密围绕铁磁材料的准同型相界的类型、构建以及对材料磁弹效应和其他物理性能的影响，同步开展实验和理论研究，主要完成了以下五个方面的工作：1）借助高分辨率同步辐射X射线衍射技术，探测铁磁MPB准同型相界体系的不同组分的微观晶体结构，为构建MPB相界提供实验依据；2）探索具有MPB准同型相界的Laves相铁磁合金的相图演化、相态与磁弹效应的关联机制；3）研究了具有MPB准同型相界的Laves相合金的热膨胀效应，确定通过Laves相合金的磁致伸缩效应与热膨胀效应可以精确判定铁磁相变的发生；4）研究了具有MPB准同型相界的Laves相材料的磁热效应，为进一步通过构建MPB设计窄热滞的磁卡材料提供借鉴；5）将铁磁材料中新发现的MPB效应反馈至铁电材料体系，研究铁电材料MPB准同型相界的演化与压电效应、微观结构的关联作用。项目的研究成果将为根据准同型相界原理设计制备高性能铁磁材料提供理论依据和实验参考。在项目执行期间，共发表基金标注SCI论文18篇；参加国内外学术会议14次，口头报告7次，其中包括2次邀请报告；申请发明专利3项；获得2016年陕西高等学校科学技术一等奖1项。