专利名称：铽-镝-铁磁致伸缩材料以及利用这些材料的器件的制作方法
技术领域：
本发明公开了可以在高于室温到接近绝对零度的宽广温度范围下使用的高强度磁致伸缩体材料。
背景技术：
尽管在1847年，Joule就在铁中首次发现了磁致伸缩现象，但是在1963年，在低温下，在稀土元素镝(Dy)和铽(Tb)中才首次发现高磁致伸缩现象(几乎为1％)。
铽和镝的磁性都源于它们部分填充的最外层电子(4f)。电子在这层中的各向异性分布导致非常大的各向异性磁性和磁致伸缩特性。当施加激励磁场时，此各向异性造成磁致伸缩突然改变。低于此激励磁场，几乎没有磁致伸缩现象，高于此激励磁场，材料在最大磁致伸缩处达到饱和。铽具有正的各向异性，而镝具有负的各向异性。
为了获得平滑的磁致伸缩现象，将这两种元素合金化在一起。合金Tb0.6Dy0.4具有最大的磁致伸缩(6300ppm)，但其有序化(ordering)温度约为150K。作为一种致动器材料，由于其机械强度有限，所以其性能差。
1995年以来，Tb1-xDyxZn合金作为在低于约150K下应用的优选磁致伸缩材料出现。参见US4,906,879。此合金的磁致伸缩可与稀土元素Tb和Dy自身的巨大磁致伸缩(77K下约0.5％)相比，并且此材料比TbDy更坚固。在几乎所有情况下都需要单晶。对于稀土元素而言，因为在实际磁场中，磁化基本存在在基面上，所以取向是非常重要的。在该平面以外的方向上取向的晶粒几乎不产生磁致伸缩。
寻找室温下具有高磁致伸缩的材料导致这些稀土材料与过渡金属如铁(Fe)形成合金，最终在Laves相化合物TbFe2中发现高磁致伸缩现象。不久以后，将镝加入到此化合物中以降低各向异性。Tb1-xDyxFe2-y(0.7≤x≤0.8，0≤y≤0.1)表示通常被称为Terfenol-D的室温磁致伸缩体。参见US 4,308,474。
已经将Tb0.3Dy0.7Fe1.95描述为室温磁致伸缩应用的最佳组合物。根据Hathaway和C1ark的观点[MRS Bulletin，第XVIII卷，第4期，第34-41页]，此化合物在室温下具有最大的磁致伸缩。在低于室温的温度下测量磁致伸缩表明对于温度降低至250k，磁致伸缩增大，然后随着温度下降到此范围以下，磁致伸缩迅速减小，这就可以得出结论此材料在低温(＜250K)下不是良好的磁致伸缩体。参见图1。
发明内容
本发明涉及一种Tb1-xDyxFe2-y型的铽-镝-铁磁致伸缩材料，其中x小于0.7，y小于或等于0.1，该材料在低于293K的所有温度下都具有至少约1000ppm的磁致伸缩。在优选的实施方案中，x约为0.55，y约为0.1。该材料可以包括最高达约5％的杂质，特别是铜和硅，它们每种的存在可以最高达约1％。也涉及使用这些材料的器件。
根据下列对优选实施方案和附图的描述，本领域普通技术人员将会了解其它目的、特点和优点，其中图1是现有技术材料Tb0.3Dy0.7Fe1.95的磁致伸缩-温度图，该图表明磁致伸缩在低于250K下迅速减小；[MRS Bulletin，第XVIII卷，第4期，第37页]图2是本发明Tb1-xDyxFe2-y化合物在77K下并施加1300psi压应力的磁致伸缩数据图；图3是本发明Tb1-xDyxFe3-y化合物在4.2K下并施加1300psi压应力的磁致伸缩数据图(对于x＝0.4的实施例，压应力为900psi)；图4是本发明的Tb0.45Dy0.55Fe1.9化合物在293K、77K和4.2K下并施加1300psi应力的磁致伸缩数据图；和图5是具有如表I中杂质的本发明Tb0.45Dy0.55Fe0.95材料在293K和77K下的磁致伸缩数据图。
发明优选实施方案详述人们已经发现具有不同组成的Tb1-xDyxFe2-y化合物(x从至少约0.22到小于约0.7)在低于250K的低温(例如77K和4.2K)下具有相对大的磁致伸缩。参见图2和3。x值为0.73的化合物表示现有技术的Terfenol-D，其在77K下具有小于200ppm，4.2K下约1000ppm的饱和磁致伸缩，对于有用的商业用途来说，在很多情况下这些量是不够的。与纯铁(293K下小于50ppm)或市场上可以买到的磁致伸缩材料Terfenol-D(293K下800-1200ppm)相比，x＝0.55的本发明Tb1-xDyxFe2-y化合物在不同的应用温度(室温-293K、低温-77K和4.2K)下都具有最大的磁致伸缩(图4)。
尽管Tb1-xDyxZn在低温下具有高的磁致伸缩[参见US4,906,879]，但由于其复杂性和由此造成制造成本高，使得此材料的商业应用仍然受到限制。基本方法包括以下步骤将这些元素熔制在一起形成合金锭，然后用该合金锭生长单晶。形成合金的过程需要密封的坩埚，因为锌的沸点(T沸＝1180K)低于Tb(T熔＝1630K)或Dy(1682K)的熔点。为了防止锌在形成合金的过程中损失，需要密封的坩埚。在整个方法的成功或失败，此额外工作成为决定性因素，而且额外工作也增加了成本。由于Fe(T熔＝1809K)、Tb和Dy的熔点温度比较接近，所以本发明的Tb1-xDyxFe2-y中不存在相同的问题。通过相同的布里奇曼(Bridgman)法，Tb1-xDyxFe2-y的制造方法比Tb1-xDyxZn的制造方法相对容易且廉价。
基于上述研究，具有某些组成的Tb1-xDyxFe2-y(x从0.22到0.7)在室温和低温(293K、77K和4.2K)下，乃至延伸至低于居里温度(对于TbFe2，Tc约为697K，对于DyFe2，Tc约为635K，认为所有Tb1-xDyxFe2-y化合物的Tc都在此范围内)的更高温度下的确都具有有用的磁致伸缩(典型地定义为至少约1000ppm)。并且，较容易地制造出该材料增加了这些化合物在低温应用方面的潜在应用。
本发明还涉及带有杂质的这种磁致伸缩材料，这种磁致伸缩材料可以在高于室温到接近绝对零度的宽广温度范围下使用，并且仍然以相对低的成本提供合适的磁致伸缩。杂质包括下面表I和II中所列的杂质，以及氮、氧和碳。
本文已经发现在本发明的稀土-过渡金属磁致伸缩材料中可以容许有各种杂质。这些杂质通常是由最初的原材料或特定的制造过程带入到最终产物中的。使用杂质含量较高的原材料将降低生产成本。
在本发明中，证明此相同的组合物在相同的温度范围下都具有高的磁致伸缩，即使制备的样品硅和铜杂质的含量高。使用为本领域技术人员所知的标准合金化和晶体生长方法制造具有x＝0.55和y＝0.05组成的Tb1-xDyxFe2-y样品。表I中列出了此样品的详细化学组成。图5中所示的磁致伸缩性能表明在此Tb0.45Dy0.55Fe0.95化合物中有高水平磁致伸缩(约600ppm)。可以预料用某些工艺优化，可以明显提高磁致伸缩。
表I Tb0.45Dy0.55Fe1.95的详细化学组成
*组成为原子百分比表II详细描述了本发明Tb1-xDyxFe2-y(x≤0.7，y≤0.1)的原材料和样品的杂质含量。可以预料只要杂质的总含量低于约5％，与本文详述的硅和铜杂质一样，每一种这些元素的杂质含量最高达1％原子比也不会对Tb1-xDyxFe2-y系的磁致伸缩有不利的影响。
表II
*所有组成为原子百分比可以使用与制造Terfenol-D相似的方法制造本发明的Tb1-xDyxFe2-y材料。因为所有组分在共同的温度范围下都是液体，所以可以在开放的坩埚中，使用液相合金化法完成合金化和晶体生长。可以用布里奇曼(Bridgman)法、改进的布里奇曼法、定向凝固法、丘克拉斯基法或其它晶体生长方法完成晶体生长。
这些材料具有足够大的磁致伸缩，因此可以将它们用于一系列低温器件，包括线性致动器、线性步进电动机、传感器等。
线性致动器包括通过线圈或永磁体暴露于可调磁场下的磁致伸缩材料棒，其中可以调整线圈的电流，可以调整永磁体与该棒之间的距离。调整线圈中的电流或永磁体相对于该棒的位置会使该棒随电流或永磁体的距离成比例的伸长。线性致动器内磁致伸缩棒的长度变化使此器件成为优异的线性运动控制器。还可以使用这些致动器制成振动主动(active vibration)控制器件和主动位置控制器。
相同的性能还可以用于制成通过测定磁致伸缩材料几何形状变化而显示磁场或应力变化的传感器。
步进电动机使用了三个在步进运动中能使其向前或向后运动的磁致伸缩致动器。此电动机可以提供若干毫米仅仅由传动杆的有效长度限定的冲程根据前面的描述和附带的权利要求，本领域技术人员容易想到本发明的其它实施方案。
权利要求
1.一种铽-镝-铁磁致伸缩材料，其式为Tb1-xDyxFe2-y，其中x小于0.7，y小于或等于0.1。
2.包括权利要求1的材料的器件。
3.权利要求1的材料，其中该材料在4.2K和77K下具有至少2000ppm的饱和磁致伸缩。
4.权利要求1的材料，其中x约为0.55。
5.权利要求4的材料，其中y约为0.1。
6.权利要求1的材料，还含有最高达约1％的铜。
7.权利要求1的材料，还含有最高达约1％的硅。
8.权利要求1的材料，还含有最高达约2％的其它元素。
9.权利要求1的材料，还含有最高达约5％的其它元素。
10.权利要求9的材料，其中所述其它元素占组成的约2％。
11.权利要求1的材料，其中在低于250K到293K的温度下，该材料具有至少约1000ppm的磁致伸缩。
12.一种铽-镝-铁磁致伸缩材料，其式为Tb1-xDyxFe2-y，其中x约为0.55，y从0.5到0.1，其中，在低于250K到293K的温度下，该材料具有至少约1000ppm的磁致伸缩，并且在4.2K和77K下，该材料具有至少2000ppm的饱和磁致伸缩。
13.包括权利要求12的材料的器件。
14.权利要求12的材料，其中该材料在4.2K和77K下具有至少2000ppm的饱和磁致伸缩。
15.权利要求12的材料，其中x约为0.55。
16.权利要求15的材料，其中y约为0.1。
17.权利要求12的材料，还含有最高达约1％的铜。
18.权利要求12的材料，还含有最高达约1％的硅。
19.权利要求12的材料，还含有最高达约5％的其它元素。
20.权利要求19的材料，其中所述其它元素占组成的约2％。
全文摘要
一种Tb
文档编号H01L41/20GK1521869SQ0312179
公开日2004年8月18日 申请日期2003年1月30日 优先权日2003年1月30日
发明者C·H·乔希, 戴璆瑛, C H 乔希 申请人:埃内根公司