Магнитосгрикционные материалы на основе соединений типа RT2

Высокие величины констант магнитострикции А,_ш(0) и А,₁₀₀(0) у ряда соединений RFe, в сочетании с высокой температурой Кюри явились отправным моментом в попытках разработать на их основе новые высокомагнитострикционные сплавы для преобразователей электромагнитной энергии в механическую работу. Из табл. 28 видно, что наилучшим «кандидатом» в высокомагнитострикционные сплавы является интерметаллид TbFe,. Однако, как показали эксперименты, в литом материале такого интерметаллида высокие величины магнитострикционной деформации при комнатной температуре реализуются в полях порядка 10−15 кЭ, что как минимум на порядок выше максимальных значений магнитного поля в типичных магнитострикционных преобразователях на основе сплавов Зб-металлов (пермендюра) (100−500 Э).

Столь трудное магнитное насыщение этого материала связано с высокой собственной коэрцитивностью его доменных границ, обусловленной, в свою очередь, высокой плотностью их граничной энергии из-за большой величины констант К^К₂у TbFe₂ даже при комнатной температуре. Уменьшить их величины оказалось возможным путем приготовления квазибинарного интерметаллида (Tb, Dy) Fe_r Разные знаки констант МКА К_х и К₂ у соединений TbFe₂ и DyFe, и в то же время одинаковый знак Х_[п позволили А. Кларку с коллегами из лаборатории ВМС США в 1980;е гг. «сконструировать» квазибинарный сплав состава Tb_(nDy₀₇Fe₂, названный ими «Terfenol», с гораздо большей, чем у TbFe₂, магнитной проницаемостью в малых и средних полях и, следовательно, большей величиной dX/dH.

Этот состав был найден эмпирическим путем. Однако полученные сведения о типе МКА и величинах констант МКА и AM в RFe₂, их температурных зависимостях и возможности адекватного описания последних теоретическими формулами позволяют, используя принцип суперпозиции вкладов, вести поиск составов многокомпонентных систем с требуемыми потребительскими свойствами расчетным путем. Такая работа применительно к высокомагнитострикционным сплавам на основе RFe, была выполнена одним из авторов настоящего пособия (Н. В. Кудреватых) совместно с В. Н. Москалевым также в 1980;е гг. Нами были рассчитаны температурные зависимости констант МКА К_{ и К, у соединений TbFe₂ и DyFe, в районе комнатной температуры в результате использования температурных функций ЩХ) и L'₆(X) для каждого типа РЗЭ (см. раздел 14) и были построены концентрационные зависимости величин констант МКА К_] и К₂ в системе (Tb, Dy_v)Fe₂ при Т= 293 К с учетом магнитоупругого вклада в константу К_] (рис. 68−69). Было найдено, что АГ, = 0 при х = 0,67, а К₂ = 0 при х = 0,44. «Критический» состав, при котором происходит концентрационный ориентационный переход ОЛН от направления [111] к направлению [100], т. е. когда К₂ = 9К_Г соответствует значению х = 0,69, что практически совпадает с найденным эмпирическим значением х = 0,7 для сплава «Terfenol».

Рис. 68. Рассчитанные по одноионной модели температурные зависимости константы магнитострикции А._|П(7) и констант МКА и К₂ соединений TbFe, и DyFe₂ в районе комнатной температуры:

1 и Г — А,_1П(7); 2 и 2' - 3 и 3' - К₂(Т) цифры со штрихом — DyFe,.

Рис. 69. Рассчитанные по одноионной модели концентрационные зависимости константы магнитострикции л_|м(х) и констант МКА К_] и К₂ соединений (Tb, Dy) Fe₂ (цифры без штриха) и (Tb, Dy₍)(Fe_(lsCo"₂)₂ при Т= 293 К.

Рис. 70. Полевые зависимости магнитострикции поликристаллических образцов соединений:

Рис. 71. Начальные участки кривых магнитострикции металлокерамических (спеченных из порошков) образцов соединений:

• 1 — (^Tb",₅Dy₀,₆₅)(Fe₀₈Co_w)₂; 2 — (Tb" ₃Dy_{0 7})(Fe_{0 s}Co₀₂)₂; 2 — (Tb_{0 !}Dy_{0 7})Fe₂;
• 4 - металлического никеля в форме диска во внешнем магнитном поле

Успех этого прогнозирования воодушевил на поиск состава четверного сплава типа (Tb, Dy^Fe, Со)₂ с большей, чем у «Terfenol», величиной магнитострикции насыщения при Т= 293 К. Мотивом для такого поиска была большая величина среднего атомного магнитного момента Зб-атома в подрешетке FeСо, что, как нами было ранее установлено, обеспечивает более высокую величину обменного поля, действующего со стороны подрешетки этих атомов на R-ионы. Это обстоятельство давало основание полагать, что при комнатной температуре в R-подрешетке будет более высокая степень магнитного порядка, а следовательно, и более высокая величина вклада в AM по сравнению с таковым в бсскобальтовом интерметаллиде.

Проведенный нами аналогичный расчет концентрационных зависимостей К^(х), К₂(х) и A,_m(jt) для системы соединений (Tbj _vDy_v)(Fe_{0 8}Со_{0 2})₂ для Т= 293 К и предположения равенства нулю вкладов в МКА и AM от подрешетки Зб-элемента указал на большую величину Л._|П(293) и сдвиг «критического» состава в сторону тербия (х = 0,65). Выполненная нами экспериментальная проверка данного прогноза полностью подтвердила его результаты (рис. 70). Оказалось, что наибольшей величиной dkldH в области малых и средних полей обладает высокомагнитострикционный сплав с измененным в сравнении с «Terfenob соотношением Tb/Dy, т. е. с увеличенным содержанием тербия (Tb_03sDy_{0 65})(Fc_{0 к}Со_п 2)₂. Выяснилось также, что этот материал химически более стоек и может успешно применяться для изготовления из него магнитострикторов по порошковой металлокерамической технологии (рис. 71). На состав этого сплава был получен патент (а. с. СССР № 704 254).