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1、材料物理毕业设计Fe-B磁致伸缩纤维制备与其结构和性能的研究学 院：材料科学与工程学院 班 级：材料物理101401班 姓 名：武强 学 号：4 指导老师：克维 2014年06月08日科技大学毕业设计（论文）任务书（由指导教师填写发给学生）学院（直属系）：材料科学与工程学院 时间：2014 年 3 月 12 日学 生 姓 名武强指 导 教 师克维设计（论文）题目Fe-B磁致伸缩纤维制备与其结构和性能的研究主要研究容1、 Fe-B纤维的表面形貌；2、 Fe-B纤维的组织结构；3、 Fe-B纤维的热性能;4、 Fe-B纤维的磁性能。研究方法以纯铁和纯硼为原料，采用熔体抽拉法制备不同直径Fe-B软磁
2、纤维，然后利用光学显微镜、XRD、VSM、DSC等分析方法对不同直径的试样进行物相、显微结构、磁性能、热性能的分析。主要技术指标(或研究目标)确定衍射峰角度、结晶温度、矫顽力、剩磁比等参数。教研室意见1 盛智芝, 电化学沉积法制备Fe-B磁致伸缩材料的研究D, 科技大学, 2012.2 Johnson L. Machel, Wan Jiehui, Huang Shichu. et al. A wireless biosensor using microfabricated phage-interfaced magnetoelastic particlesJ Sensors and Actuat
3、ors A: Physical. 2008, 144 (1): 3847.3 Zhang Kewei, Zhang Lin, Fu Liling et al. Magnetostrictive resonators as sensors and actuatorsJ. Sensors and Actuators A: Physical. 2013, 200 (1): 210.4 Sahingoza Recep, Erola Mustafa, Gibbs R.J. Mike, Observation of changing of magnetic properties and microstru
4、cture of metallic glass Fe78Si9B13 with annealingJ, Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2004 271(1): 7478.5 Herzer Giselher, Modern soft magnets: Amorphous and nanocrystalline materialsJ. Acta Materialia. 2013 61(3): 718734.教研室主任（专业负责人）签字： 年 月 日说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文），一份交学院（直属系）。目 录摘 要IIAbs
5、tractIII第一章 绪 论 1 1.1 磁致伸缩现象的简介11.1.1 磁致伸缩效应产生的原因 2 1.1.2 磁致伸缩效应的分类 2 1.1.3 铁磁材料的焦耳磁致伸缩效应 4 1.2 磁致伸缩材料 7 1.3 磁致伸缩材料的应用 7 1.4 Fe-B非晶态磁致伸缩材料与研究进展 8 1.5 选题的意义与研究容 9 第二章 熔体抽拉法制备非晶合金纤维材料 10 2.1 熔体抽拉法的基本原理 10 2.2 实验装置与方法描述 10 2.2.1 实验装置 10 2.2.2 实验方法 11 2.2.3 装置的基本要求 12 2.3 Fe-B材料的制备 12 2.4 合金材料制备过程中应注意的几
6、个问题 13 第三章 实验仪器与原理分析 14 3.1 表面形貌观察 14 3.2 X射线分析仪（XRD）与原理 14 3.3 差示扫描量热分析(DSC) 15 3.4 磁性能研究分析(VSM) 15 第四章 Fe-B材料的结构与形貌分析 17 4.1显微镜观察纤维的形貌 17 4.2 X射线衍射（XRD）分析 18 4.3 差示扫描量热分析（DSC） 19 4.4 磁性能的分析 21 第五章 结 论 24 参考文献 25 致 26 附 录 27 Fe-B磁致伸缩纤维制备与其结构和性能的研究摘 要 铁基磁致伸缩材料是一种新型的功能性材料，它具有优良的物理与化学性能，有广阔的应用前景，是重要的能
7、量与信息转换功能材料。是值得开发和利用的一类新型材料1。本文论述以纯铁和纯硼为原料，采用熔体抽拉法制备不同直径的Fe80B20纤维，然后利用SEM、XRD、VSM、DSC等分析方法对不同直径的试样进行物相、显微结构、磁性能、热性能的分析。最后得出不同直径对该种纤维的各种性能都具有一定的影响。关键词磁致伸缩，新型功能材料，熔体抽拉法，Fe-B纤维Fe-B Magnetostrictive fiber preparation and research of structure and performanceAbstract Iron base magnetostrictive material i
8、s a new type of functional material, it has excellent physical and chemical properties, has a broad application prospect, is an important energy conversion function and information material.This paper discusses pure iron and pure boron as raw material, adopts the melt pump rafa preparation of differ
9、ent diameter of fibers,then use SEM、XRD、VSM、DSC Analysis method of different diameter of specimen, phase, microstructure, magnetic, thermal performance analysis. Finally it is concluded that properties of the different diameter of the fiber has certain influence.Keywords magnetostrictive， New type o
10、f functional materials ，The melt pump rafa ，Fe - B fiber第一章 绪 论1.1 磁致伸缩现象的简介什么是磁致伸缩现象？我们知道物质具有热胀冷缩的现象。除了加热外，在磁场和电场作用下也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸会伸长（或缩短），去掉外磁场后，其尺寸又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。磁致伸缩效应于19世纪（1842年）被英国物理学家詹姆斯.焦耳发现。他观察到，一类铁磁类材料，如：铁，在磁场中会改变长度。焦耳事实上观察到的是具有负向磁致伸缩效应的材料，但从那时起，具有正向磁致伸缩效应的材料也被
11、发现了。磁化引起机械应变，反过来应力也将影响铁磁材料的磁化强度，故亦称为“压磁效应”。广义的说，磁致伸缩应该包括一切有关磁化强度和应力相互作用的效应1-2。磁致伸缩的大小可以用磁致伸缩系数来表示，线磁致伸缩系数可表示为=/0 , 0 是材料未磁化状态下的某一给定方向的原始长度，是形变量。磁致伸缩系数的大小可正可负，当材料沿着外加磁场伸长时，为正值，当材料沿着外加磁场收缩时，为负值。（如图1.1）磁致伸缩系数随着磁场强度H而变化，形成了材料的磁致伸缩函数(H)。该函数具有滞后性或者非滞后性，这取决于材料的磁化过程。在绝大多数情况下，(H)的斜系数要比饱和或工程磁致伸缩常数s具有更加重要的意义，s
12、是在饱和磁场强度Hs下最大的应变系数。其中,(H)的斜系数和e=s/HS (ppm Oe-1)是表征材料产生磁致弹性波的重要参数。对于“零”磁致伸缩材料s的取值可小到s=10-7，对于巨磁致伸缩材料s的取值可大到s=10-31-3。 体积磁致伸缩系数定义为W=V/V,V为铁磁体原来的体积，V为磁化后的体积变化量。除因瓦合金具有较大的体积磁致伸缩系数外，其他的铁磁体的体积磁致伸缩系数都十分小，其数量级约为10-10-10-8。在一般的铁磁体中，仅在自发或顺磁化过程（即Ms变化时）才有体积磁致伸缩发生。当磁场强度小于饱和磁场强度Hs，只有线磁致伸缩，而体积磁致伸缩十分微小。图1.1 磁致伸缩系数示
13、意图1.1.1 磁致伸缩效应产生的原因 在外磁场作用下一类材料会伸长，另一类材料会缩短，对于这两类材料来说，磁致伸缩效应产生的原因是相似的。小磁畴的旋转被认为是磁致伸缩效应改变长度的原因。磁畴旋转以与重新定位导致了材料结构的部应变。结构部的应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于正向磁致伸缩效应）。在此伸展过程中，总体积基本保持不变，材料横截面积减小。总体积的改变很小，在正常运行条件下可以被忽略。增强磁场可以使越来越多的磁畴在磁场方向更为强烈和准确的重新定位。所有磁畴都沿磁场方向排列整齐即达到饱和状态，因而产生磁致伸缩效应。从磁体的磁畴结构变化来看，材料的磁致伸缩效应是其部的各个磁畴形变的外观表现
14、3-6。1.1.2 磁致伸缩效应的分类 磁致弹性学是一门处理磁性材料磁学性能和弹性性能的学科。磁致弹性效应分为正磁致弹性效应和逆磁致弹性效应。正磁致弹性效应指的是某种磁性材料的尺寸和形状能够随着磁化强度的大小和方向而产生变化，即所谓的磁致伸缩。反之，某种材料的磁性能随着所施加的机械应力而变化，称之为逆磁致弹性效应。磁致伸缩效应其与多种物理现象相关联。通常来说，磁致伸缩效应是机械能与电磁能之间的一种可逆能量转化。磁致伸缩材料因为其能够将能量从一种形式转化为另一种形式，从而在作动器和传感器中获得了应用。在实际应用中主要有以下几种磁致弹性效应5-6。 焦耳效应，这是指磁致伸缩材料沿着外加磁场方向延伸或压缩的一种现象。（如图1.2）。这种效应被广泛应用于磁致伸缩作动器中。磁致伸缩是一种可逆的材料特性。在磁场较弱的区域，试件形状即恢复至其原始尺寸。Terfenol-D材料的比例在1500ppm围之上，在共振频率下，可以达到4000ppm之上。长度的增加（纵向应变）或直径的缩小（周向应变）大致与应用的磁场成比例，这种作动器机理可以被用于多种用途的。图1.2 焦耳磁致伸缩效应 （a）在磁场作用下材料形状的变化 （b）磁致伸缩系数与磁场的关系维拉利效应，这种效应基于这样的现象。当外力施加于试件，
