本發(fā)明屬于磁致伸縮材料，具體涉及一種稀土磁致伸縮復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、磁致伸縮材料是指具有磁致伸縮效應(yīng)的一類材料，即在施加磁場的作用下，材料因磁化狀態(tài)發(fā)生改變而導(dǎo)致其尺寸與體積變化的現(xiàn)象。以tb-dy-fe為代表的稀土-鐵合金材料在室溫下具有磁致伸縮系數(shù)大、能量密度高、響應(yīng)速度快、磁機(jī)耦合系數(shù)大、能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點。因此，該類材料在傳感和驅(qū)動等器件領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，涉及軍工、航空航天、電子、精密加工、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域。

2、稀土-鐵合金材料的超磁致伸縮效應(yīng)來源于laves相rfe2(r為稀土元素)化合物。傳統(tǒng)的鋱鏑鐵合金(商用牌號terfenol-d)中重稀土元素tb和dy含量達(dá)到60％(質(zhì)量百分比)，其資源稀缺，價格昂貴。為降低原料成本，輕稀土元素ce、pr、nd、sm等相繼被引入laves相替代部分tb和dy。近年來，含輕稀土的rfe2磁致伸縮化合物已經(jīng)被廣泛研究。這些研究課題主要圍繞化合物的合成、磁致伸縮效應(yīng)以及相關(guān)磁性能。然而，在實際應(yīng)用中，材料的其他性能對磁致伸縮器件的整體功能也有重要的影響。例如，laves相稀土合金材料室溫下的電阻率普遍很低，材料在交變磁場(特別是高頻磁場)中使用時容易形成較大的渦流損耗，進(jìn)而產(chǎn)生熱量導(dǎo)致溫度升高，引起磁致伸縮性能和能量轉(zhuǎn)換效率降低。laves相稀土合金材料的本征脆性使其難以機(jī)械加工，并且磁致伸縮器件在服役過程也容易因材料斷裂而整體失效。上述問題限制了其在各領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

3、樹脂粘結(jié)的超磁致伸縮復(fù)合材料可以根據(jù)要求制備不同形狀的材料，并且電阻率顯著高于合金材料，這類粘結(jié)復(fù)合材料和制備工藝都已經(jīng)得到廣泛的研究和探索。如中國發(fā)明專利zl201210034284.7(授權(quán)公開號為cn102569638b)公開了一種具有層狀結(jié)構(gòu)高度<111>取向以及高電阻低損耗特性的粘結(jié)稀土巨磁致伸縮材料及其制備方法。通過調(diào)控合金的磁晶各向異性，設(shè)計合金成分為tbxdy1-xfey(0.4<x≤1，1.9≤y≤1.95)。將粒徑尺寸為10～300μm的合金顆粒、粘結(jié)劑、固化劑和過程控制劑混合，然后在6000～12000oe的磁場誘導(dǎo)下進(jìn)行動態(tài)磁場取向；最后在靜態(tài)磁場下以及40℃～60℃水浴中固化成型，獲得具有層狀結(jié)構(gòu)、高度<111>擇優(yōu)取向粘結(jié)稀土巨磁致伸縮材料，其電阻率達(dá)到1.23-8.00ω·m。又如中國發(fā)明專利zl201210201667.9(授權(quán)公開號為cn102766792b)公開了一種粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料的制備方法，該材料成分為(rxdy1-x)fey，其中r為tb或sm，x的范圍在0.25-0.9之間，y的范圍在1.5-2.0之間，其制備方法包括以下步驟：首先將金屬原材料按上述比例混合后在高純氬氣保護(hù)下電弧熔煉得到合金鑄錠，然后進(jìn)行700-950℃、45-50小時均勻化退火，爐冷至室溫，之后將合金錠粉碎、研磨成粒度為50-180μm的粉末，壓實后在高純氬氣保護(hù)下進(jìn)行300-500℃、5-8小時的二次退應(yīng)力退火，最后將粉末與粘結(jié)劑混合，放入模具中加壓成形，退模后在磁場中固化36-48小時，最后得到粘結(jié)稀土鐵超磁致伸縮材料。本發(fā)明采用了二次退火、磁場取向的粘結(jié)方法，顯著地降低了合金粉末的應(yīng)力，使制備的稀土超磁致伸縮材料的磁致伸縮、動態(tài)磁致伸縮系數(shù)和磁機(jī)械耦合系數(shù)明顯提高，同時材料具有較高的電阻率，提高了材料的高頻特性。然而，聚合物的低密度會導(dǎo)致粘結(jié)復(fù)合材料體積顯著增加，這不利于器件的小型化。聚合物的存在也不可避免地降低材料的散熱性能和抑制磁致伸縮應(yīng)變，從而使得材料的磁致伸縮系數(shù)與能量密度損失較大。另外，粘結(jié)復(fù)合材料制備工藝較為繁瑣，往往存在粉末氧化和空隙率等問題。

4、因此，需要對現(xiàn)有的稀土磁致伸縮和制備方法作進(jìn)一步的改進(jìn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題是：針對上述現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供一種同時具備高密度、高電阻率以及良好力學(xué)性能的稀土磁致伸縮復(fù)合材料。

2、本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是提供一種同時具備高密度、高電阻率以及良好力學(xué)性能的稀土磁致伸縮復(fù)合材料的制備方法。

3、本發(fā)明解決上述第一個技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種稀土磁致伸縮復(fù)合材料，其為sm-fe-si磁致伸縮復(fù)合材料，該磁致伸縮復(fù)合材料的化學(xué)通式為smxfe2-ysiy，其中，0.8<x<2，0<y<0.4。

4、優(yōu)選地，所述x和y滿足：1≤x≤1.6，0.05≤y≤0.2。

5、所述sm-fe-si磁致伸縮復(fù)合材料包括具有磁致伸縮效應(yīng)的主相和第二相，所述具有磁致伸縮效應(yīng)主相為sm(fe,si)2相，所述第二相為sm相、sm-fe相、sm-si相、sm-fe-si相中的一種或者兩種及兩種以上的組合。

6、上述化學(xué)通式中，當(dāng)si元素取代smfe2中的fe，并經(jīng)過退火處理，則可得到優(yōu)化的微觀組織和性能。一方面，合金中可以形成sm(fe,si)2固溶體，這有助于增強晶格和缺陷等對電子的散射。另一方面，可以促進(jìn)合金析出sm-si、sm-fe以及sm-fe-si等第二相，即產(chǎn)生復(fù)合相，能夠有效提升界面對電子的散射效應(yīng)，并且減少高導(dǎo)電相的含量。這兩方面都能有效提升合金電阻率；同時增加sm元素在合金中的含量，則可以促進(jìn)高韌性的金屬sm相析出，而韌性相的存在更有助于抑制脆性相中裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展，改善材料的宏觀力學(xué)性能。但若合金中si或sm元素含量過高，則復(fù)合材料中sm(fe,si)2相所占的比例將明顯減少，導(dǎo)致磁致伸縮性能嚴(yán)重惡化。因此，需要嚴(yán)格限定合金中各元素的含量。

7、在溫度為300k時，20koe磁場下的磁致伸縮應(yīng)變(λ∥-λ⊥)的絕對值≥902ppm，其中，λ∥為平行于磁場方向上的磁致伸縮應(yīng)變，λ⊥為垂直于磁場方向上的磁致伸縮應(yīng)變；電阻率＞75μω·cm；抗彎強度＞54mpa。如此，獲得了同時具有高電阻率和良好力學(xué)性能的磁致伸縮復(fù)合材料。

8、具體地，所述磁致伸縮應(yīng)變(λ∥-λ⊥)的絕對值為902～1860ppm，電阻率≤340μω·cm；抗彎強度≤83mpa。

9、本發(fā)明解決上述第二個技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種所述的稀土磁致伸縮復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，依次包括有以下步驟：

10、(1)按照smxfe2-ysiy化學(xué)式配制原料；其中，0.8<x<2，0<y<0.4；

11、(2)將步驟(1)原料在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行熔煉，獲得成分均勻的合金；

12、(3)將步驟(2)所述合金退火，形成包含具有磁致伸縮效應(yīng)主相和第二相的復(fù)合材料。

13、通過上述方法制得的sm-fe-si磁致伸縮復(fù)合材料，所述具有磁致伸縮效應(yīng)主相為sm(fe,si)2相，第二相為sm相、sm-fe相、sm-si相、sm-fe-si相中的一種或者兩種及兩種以上的組合。

14、步驟(2)中合金可以是塊狀、片狀、絲狀等，其形態(tài)不限，只要合金化元素均勻即可。

15、優(yōu)選地，在步驟(3)中，在高真空環(huán)境中或惰性氣體中退火，退火溫度為600～900℃，退火時間不超過7天。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：該稀土磁致伸縮復(fù)合材料采用化學(xué)通式為smxfe2-ysiy的sm-fe-si磁致伸縮復(fù)合材料，該sm-fe-si磁致伸縮復(fù)合材料利用si元素替代sm-fe二元合金中的fe，調(diào)控sm-fe-si三元合金中各組元含量，能夠有效提升晶格和界面對電子的散射效應(yīng)，并且減少高導(dǎo)電相的含量，電阻率顯著提升。當(dāng)增加sm元素在合金中的含量時，能促進(jìn)高韌性的金屬sm相析出，而韌性相的存在更有助于抑制脆性相中裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展，改善材料的宏觀力學(xué)性能。前述sm-fe-si磁致伸縮復(fù)合材料在進(jìn)行熱處理后會自生出具有磁致伸縮效應(yīng)的sm(fe,si)2主相以及第二相，其中，第二相為sm相、sm-fe相、sm-si相、sm-fe-si相中的一種或者兩種及兩種以上的組合。第二相的存在，阻礙了復(fù)合材料變形過程中裂紋的擴(kuò)展，改善了材料的力學(xué)性能；si元素能夠固溶于smfe2相，增加主相的電阻率。同時，第二相具有更高的電阻率并且能夠提供更多的相界面，因而更有效地阻礙自由電子的傳導(dǎo)，從而增大復(fù)合材料的電阻率；si摻雜未破壞材料中具有磁致伸縮效應(yīng)的laves相，所產(chǎn)生的第二相為金屬合金，密度較高，且復(fù)合材料幾乎為全致密結(jié)構(gòu)，這樣既保證了較大的磁致伸縮應(yīng)變，又能提供高的能量轉(zhuǎn)換密度。因此，本發(fā)明所獲得的磁致伸縮材料具有高電阻率、良好力學(xué)性能、高密度以及大磁致伸縮效應(yīng)。此外，運用鑄造工藝制作復(fù)合材料，原材料無需進(jìn)行粉末細(xì)化處理，避免了材料氧化等弊端，原料和制造成本低廉，便于材料的應(yīng)用推廣。