鐵基高阻尼合金單晶的制備和研究取得新進(jìn)展
近期，中科院合肥研究院固體所內(nèi)耗與固體缺陷研究部在大尺寸FeGa單晶生長(zhǎng)以及磁機(jī)械阻尼研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)成果在Scripta Materialia 上發(fā)表。
鐵磁性高阻尼合金由于具有高阻尼溫域?qū)挘?/span>~0 K–500 K）、阻尼頻率依賴性低、微振動(dòng)響應(yīng)敏感（<10-4）、強(qiáng)度高(~450 MPa)、耐蝕性好、易加工和成本低等多種優(yōu)勢(shì)，在航天微振動(dòng)抑制及精密機(jī)械減振降噪等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。相比孿晶型高阻尼合金，鐵磁型阻尼合金雖然具有更優(yōu)秀的力學(xué)強(qiáng)度，但相對(duì)較低的阻尼能力限制了其工程應(yīng)用。為了大幅度提高鐵磁性合金的阻尼性能并兼顧其力學(xué)性能，國(guó)內(nèi)外研究人員多年來(lái)對(duì)鐵磁合金的阻尼機(jī)制及性能優(yōu)化做了大量研究，目前仍未找到一個(gè)有效的技術(shù)方案。一般認(rèn)為，鐵磁合金的阻尼能力與磁致伸縮系數(shù)呈正相關(guān)，FeGa合金在 [001] 方向具有高達(dá)400 ppm的磁致伸縮系數(shù)，理論上具有高阻尼效應(yīng)。然而在已有的研究中，并未在FeGa合金的磁化曲線中發(fā)現(xiàn)明顯的由疇壁不可逆運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的滯后環(huán)。此外，相較于具有更低磁致伸縮系數(shù)的FeCr/FeAl基傳統(tǒng)鐵磁阻尼合金，已有的對(duì)FeGa合金的研究中并沒有發(fā)現(xiàn)其在阻尼方面具有任何優(yōu)勢(shì)，這使得探索鐵基高阻尼合金的阻尼機(jī)制及大幅提高合金阻尼的可能途徑等更具挑戰(zhàn)性。
鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)繼提出新的磁機(jī)械滯后阻尼模型后 (J. Mate. Sci. Technol., 72, 69–80(2021))，優(yōu)化單晶制備工藝，成功制備出直徑30 mm、長(zhǎng)80 mm的大尺寸Fe-18at.% Ga單晶棒，并從中切割出不同取向的FeGa單晶樣品進(jìn)行內(nèi)耗和磁致伸縮系數(shù)測(cè)量。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于[111]/(110)取向的FeGa單晶，其扭轉(zhuǎn)變形條件下磁機(jī)械滯后阻尼值達(dá)到超高的0.13 (SDC~0.82)，是現(xiàn)有常規(guī)鐵磁性金屬阻尼值的2~5倍；而[001]/(110)取向的FeGa單晶的磁機(jī)械滯后阻尼為零，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的取向依賴性，并且在很寬的溫度范圍（-100℃~150℃）內(nèi)仍保持這一特性（圖1）。結(jié)合力和磁場(chǎng)對(duì)磁疇壁運(yùn)動(dòng)的等效性以及磁場(chǎng)作用下磁疇壁運(yùn)動(dòng)的直接觀察，證實(shí)了FeGa單晶的高阻尼來(lái)源于交變應(yīng)力作用下90°磁疇壁的不可逆運(yùn)動(dòng)，同時(shí)經(jīng)過分析得到了準(zhǔn)確的磁機(jī)械滯后阻尼與取向因子和[100]方向飽和磁致伸縮系數(shù)的函數(shù)關(guān)系（圖2）。
上述研究不僅在FeGa合金中首次實(shí)現(xiàn)了超高阻尼效應(yīng)并解釋了其微觀機(jī)制，所獲得的大尺寸FeGa單晶制備技術(shù)在微電子磁致伸縮器件、航天精密儀器減振方面也具有重要的工程應(yīng)用前景。
該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、及安徽省博后基金的資助。
圖1. 不同取向Fe-18at.%Ga單晶阻尼與應(yīng)變振幅(a)和溫度(b)的變化關(guān)系。
圖2. 不同取向Fe-18at.%Ga單晶的磁致伸縮系數(shù)(a)以及阻尼與取向因子依賴性(b)。
