近期，中科院合肥研究院固体所内耗与固体缺陷研究部在大尺寸 FeGa单晶生长以及磁机械阻尼研究方面取得新进展。相关成果以“ Ultra-high anisotropic magneto-mechanical damping in Fe-18at.%Ga single crystals” 为题在 Scripta Materialia (Scripta Mater., 212, 114552(2022)) 上发表。
铁磁性高阻尼合金由于具有高阻尼温域宽（~0 K–500 K）、阻尼频率依赖性低、微振动响应敏感（<10-4）、强度高(~450 MPa)、耐蚀性好、易加工和成本低等多种优势，在航天微振动抑制及精密机械减振降噪等领域具有重要的应用前景。相比于孪晶型高阻尼合金，铁磁型阻尼合金虽然具有更优的力学强度，但相对较低的阻尼能力限制了其工程应用。为了大幅度提高铁磁性合金的阻尼性能并兼顾其力学性能，国内外研究人员多年来对铁磁合金的阻尼机制及性能优化做了大量的研究，但目前仍未找到一个有效的技术方案。一般认为，铁磁合金的阻尼能力与磁致伸缩系数呈正相关，FeGa合金在 [001] 方向具有高达400 ppm的磁致伸缩系数，理论上具有高阻尼效应。然而在已有的研究中，并未在FeGa合金的磁化曲线中发现明显的由畴壁不可逆运动导致的滞后环。此外，相较于具有更低磁致伸缩系数的FeCr/FeAl基传统铁磁阻尼合金，已有的对FeGa合金的研究中并没有发现其在阻尼方面具有任何优势，这使得探索铁基高阻尼合金的阻尼机制及大幅提高合金阻尼的可能途径等更具挑战。
鉴于此，研究团队继提出新的磁机械滞后阻尼模型后 (J. Mate. Sci. Technol., 72, 69– 80(2021))，优化单晶制备工艺，成功制备出直径 30 mm、长 80 mm的大尺寸 Fe-18at.% Ga单晶棒，并从中切割出不同取向的 FeGa单晶样品进行内耗和磁致伸缩系数测量。研究发现，对于 [111]/(110)取向的 FeGa单晶，其扭转变形条件下磁机械滞后阻尼值达到超高的 0.13 (SDC~0.82)，是现有常规铁磁性金属阻尼值的 2~5倍；而 [001]/(110)取向的 FeGa单晶的磁机械滞后阻尼为零，表现出强烈的取向依赖性，并且在很宽的温度范围（ -100℃ ~150℃）内仍保持这一特性（图 1）。结合力和磁场对磁畴壁运动的等效性以及磁场作用下磁畴壁运动的直接观察，证实了 FeGa单晶的高阻尼来源于交变应力作用下 90°磁畴壁的不可逆运动，同时经过分析得到了准确的磁机械滞后阻尼与取向因子和 [100]方向饱和磁致伸缩系数的函数关系（图 2）。上述研究不仅在 FeGa合金中首次实现了超高阻尼效应并解释了其微观机制，所获得的大尺寸 FeGa单晶制备技术在微电子磁致伸缩器件、航天精密仪器减振方面也具有重要的工程应用前景。
该研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、安徽省重点研发项目、及安徽省博后基金的资助。
文章链接： https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114552 。
图 1. 不同取向 Fe-18at.%Ga 单晶阻尼与应变振幅 (a) 和温度 (b) 的变化关系。
图 2. 不同取向 Fe-18at.%Ga 单晶的磁致伸缩系数 (a) 以及阻尼与取向因子依赖性 (b) 。