一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法与流程

本发明涉及计算材料学领域，尤其是一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法。

背景技术：

fega合金是继传统磁致伸缩材料(ni，fe-al等)和稀土超磁致伸缩材料之后出现的一种新型磁致伸缩材料。这种新型fega磁致伸缩材料，具有低饱和磁化场、较大的磁致伸缩系数、良好的加工性能以及低成本等综合优势。但目前实际制备的fega合金磁致伸缩系数很低，还不足terfenol-d合金的1/3。fega合金属于体心立方结构，通过设计掺入适量的ga原子，可以改变合金的切变弹性常数和磁弹性耦合常数，得到具有一定磁致伸缩特性的fega合金。合金晶体的磁各向异性对最终的磁致伸缩系数会产生极大的影响。增大各向异性能是提高磁致伸缩系数的重要途径。在fega合金中，掺入适量的稀土元素，能够增大合金的磁各向异性能，提高其磁致伸缩系数。

提高合金磁致伸缩系数的传统方法，通常是根据合金的成分，推断可能提高磁致伸缩系数的化学元素，或模仿现有文献进行追踪，从而对fega合金进行掺杂改性。合成这种合金后，再进行材料性能测试和效果分析评价。这种炒菜式的材料设计方法，往往缺乏理论计算支撑，难以得到最佳的成分配方，且合成效果不稳定，浪费大量的时间和研究研发资源。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法，可以用来指导提高fegare合金磁致伸缩系数的掺杂改性工艺，具有成本低、方法可靠的优点，也可以推广到其它fe基磁致伸缩材料的配方设计研究中。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法，它包括以下步骤：

结构建模；

确定晶格常数；

价电子结构计算；

确定单键半距和共价电子对数；

磁致伸缩性能预测。

优选的，所述的结构建模包括：用x表示ga含量，y表示re含量，i表示键数，d(n)表示实验键距，a表示晶格常数，r(1)表示单键半距，表示经验理论键距，nc表示共价电子数，na表示a键共价电子对数，s表示等效原子数，σ表示杂阶，r表示任意键与a键的共价电子对数之比。

优选的，所述单键半距和共价电子数是根据杂阶来选择的。

优选的，无序固溶体中的主要键数由沿(111)方向的最短键a和沿(100)方向的次短键b构成，根据a～y关系曲线，提取晶格常数。

优选的，所述的价电子结构计算包括：

选择fe、ga杂化台阶分别确定其单键半距和共价电子数；

计算fega合金价电子结构；

计算fegare合金价电子结构。

优选的，所述的计算fega合金价电子结构，选择fe、ga的杂化台阶，根据ga的原子百分比，用fega合金的实验晶格常数，计算键距差δd，最终计算出合金的单键半距和a、b键的键共价电子对数。

优选的，所述的计算fegare合金价电子结构，选择fe、ga、re杂化台阶，根据ga、re的原子百分比，用fegare的晶格常数，计算键距差δd，最终计算出fegare合金的单键半距和a、b键的键共价电子对数。

优选的，所述的键距差δd需满足：

优选的，所述的磁致伸缩性能预测具体为：单键半距越大，键共价电子对数越小，合金的磁致伸缩系数越大；并判定该系列合金的最佳配方。

本发明的有益效果是：该方法能给出价电子结构与晶体材料性能之间的关系。本发明用经验电子理论得到的价电子结构来预测fegare合金的磁致伸缩性能和最佳的合金配方，其计算结果可以用来指导铁基合金的稀土掺杂改性，得到理想的磁致伸缩性能，具有周期短，成本低的优势。该方法也可以通过调整价电子结构参数用于其它铁基立方晶系材料的磁致伸缩性能研究。

附图说明

图1为一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法流程图；

图2为用经验电子理论计算fegace合金ce的掺入量与单键半距的关系；

图3为实际测试得到合金的掺入不同ce后的磁致伸缩系数。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例1：

如图1所示，一种预测铁镓稀土合金磁致伸缩性能的方法包括：

结构建模：用x表示ga含量，y表示re含量，则键数i和键距d(n)等一系列参数可表示如下：

lgrb＝δab，δab＝[d(na)-d(nb)]/β

式中，i—键数，d(n)—实验键距，a—晶格常数，r(1)—单键半距，—经验理论键距，nc—共价电子数，na—a键共价电子对数，s—等效原子数，σ—杂阶，r—某键与a键的共价电子对数之比。

确定晶格常数：先选取掺入稀土ce量为0～2at％的3～4个配方，实验得到其晶格常数，并得到合金晶格常数与ce含量的a～y关系曲线，供后续根据ce的含量选择晶格常数a。

泡林系数β：取

单键半距r^s(1)：根据杂阶选择。

共价电子数nc：根据杂阶选择。

价电子结构计算：选择fe、ga杂化台阶分别确定其单键半距和共价电子数，分别计算fega合金价电子结构和fegare合金价电子结，具体为：

fe81ga19合金价电子结构计算：首先计算fe81ga19合金的价电子结构。晶格常数fe取9阶，ga取7阶，经过计算，此时可得到最小误差。得到合金的单键半距键共价电子对数na＝0.3825，nb＝0.0815。

fe80.7ga19ce0.3合金价电子结构计算：加入0.3at％ce后，晶格常数fe取9阶，ga取7阶，ce取7阶，经过计算，此时可得到最小误差。得到合金的单键半距键共价电子对数na＝0.3822，nb＝0.0854。

fe80.3ga19ce0.7合金价电子结构计算：加入0.7at％ce后，晶格常数fe取9阶，ga取7阶，ce取7阶，经过计算，此时可得到最小误差。得到合金的单键半距键共价电子对数na＝0.3819，nb＝0.0851。

fe80ga19ce1合金价电子结构计算：加入1at％ce后，晶格常数fe取9阶，ga取9阶，ce取7阶。ga的杂化台阶变大，说明过多的ce对ga影响较大。经过计算，此时可得到最小误差。得到合金的单键半距键共价电子对数na＝0.4058，nb＝0.0910。

磁致伸缩性能预测：根据上述计算可知，在ce掺入量为0.7at％时，合金的单价半距最大，而在a键(111)和b键(100)方向上的键共价电子对数最小，此时合金应具有最大的磁致伸缩系数。即ce掺入量为0.7at％时，具有最佳的磁致伸缩性能。经测试，掺入ce量为0、0.3、0.7和1at％时，其磁致伸缩系数分别为25、29、35和20ppm，如图2和图3所示，与计算十分吻合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。