题目：微量稀土添加Fe-Ga磁致伸缩合金研究

巨磁致伸缩材料作为一种能量转换材料，在传感器和作动器等诸多领域有着重要应用。Fe-Ga合金作为新型磁致伸缩材料，由于非磁性原子Ga加入纯铁中致磁致伸缩性能提高了十倍，而受到了广泛的关注。然而其磁致伸缩性能与稀土巨磁致伸缩材料Tb-Dy-Fe相比仍然较低，单晶Fe-Ga合金的饱和磁致伸缩系数接近400ppm，只有Tb-Dy-Fe合金磁致伸缩系数的五分之一。因此如何进一步提高Fe-Ga合金的磁致伸缩性能成为了研究热点。国内外诸多研究关注通过添加第三元素提高Fe-Ga合金的磁致伸缩性能：添加间隙元素（B、C、N）Fe-Ga合金的磁致伸缩性能提高10%左右，添加3d、4d过渡元素（Ni、V、Cr、Mn、Co、Mo、Rh）磁致伸缩性能降低，添加主族元素（Si、Ge、Sn）对Fe-Ga合金的磁致伸缩影响不大。到目前为止，添加第三元素没有显著提高Fe-Ga合金的磁致伸缩性能。如何对Fe-Ga合金进行改性从而突破其磁致伸缩系数较低的性能瓶颈就显得尤为重要。

根据Fe-Ga合金的前期研究结果，Ga-Ga 原子对引发的局域各向异性是Fe-Ga合金磁致伸缩性能提高10倍的主要原因。能否通过局域各向异性的进一步加强，以增加Fe-Ga合金磁致伸缩性能呢？以Tb元素为代表的4f稀土元素不仅具有大原子尺寸（为Fe原子体积约三倍）同时具有非常强的磁晶各向异性。如果将微量的4f元素添加到Fe-Ga合金中，可能会进一步增强局域各向异性，从而大幅提高Fe-Ga合金的磁致伸缩性能。基于该想法，我们选取具有强磁晶各向异性的4f稀土元素微量掺杂在Fe-Ga合金中，揭示出4f稀土元素与Fe-Ga-RE合金磁致伸缩性能的相关性，有望获得新型的低成本高性能磁致伸缩材料。因此，本文以Fe-Ga-RE合金为研究对象，系统研究了其材料成分和工艺与磁致伸缩性能的关系并成功制备出巨磁致伸缩材料，同时揭示了其巨磁致伸缩的来源。

揭示了Tb元素的添加对铸态和熔体快淬合金微观组织和磁致伸缩性能的影响。铸态合金中Tb元素的添加造成了大量的2:17R型富Tb第二相析出，熔体快淬合金中第二相析出明显减少。Tb元素的固溶度随着冷速的提高而提高，固溶极限在铸态合金约为0.06%，在熔体快淬合金中约为0.12%。Tb元素在A2基体中固溶度与合金磁致伸缩系数为正相关。合金磁致伸缩的最大值出现在固溶极限处，含0.06%Tb的Fe83Ga17铸态合金磁致伸缩性能最高，为56ppm，是Fe83Ga17二元铸态合金（28 ppm）的两倍；含0.12%Tb的熔体快淬合金磁致伸缩性能最大值为85ppm，是二元Fe83Ga17合金（30ppm）的三倍。微量Tb元素固溶到A2基体中，合金磁致伸缩性能提高，固溶量越多，磁致伸缩性能提高的效果越明显。

设计并成功制备了新型(Fe0.83Ga0.17)100-xTbx (0 ≤ x ≤ 0.47) 巨磁致伸缩合金材料。运用真空甩带技术（冷速约106 K/s），发现随冷速进一步提高， Tb元素在Fe83Ga17合金中的固溶度也进一步增大，磁致伸缩性能大幅度提高。Tb元素在Fe83Ga17甩带合金中的固溶极限提升为x= 0.23。制备得到的薄带在垂直带面方向为<001>取向的柱状晶。内禀的晶格常数和磁性能的变化证明Tb元素固溶到基体相中，导致样品的磁致伸缩性能大幅度提高：添加了Tb元素的(Fe0.83Ga0.17)100-xTbx（x= 0.06, 0.23, 0.47）合金薄带中，当 x=0.23 时，实测的薄带样品最大的平均垂直磁致伸缩值λ⊥= -886ppm，平行磁致伸缩系数 λ∥ ≈ -2λ⊥，计算值应为1772 ppm，是二元多晶薄带Fe83Ga17的四倍，达到了与巨磁致伸缩材料TbDyFe同样的103 ppm数量级。固溶的Tb元素进一步增强了合金的局域磁晶各向异性，从而获得了巨磁致伸缩性能。

阐明了稀土添加(Fe0.83Ga0.17)99.75RE0.25 (RE = Nd、Sm、Td或Dy)合金的巨磁致伸缩主要来源：微量稀土元素的固溶导致基体局域磁晶各向异性增强和磁性稀土单离子磁晶各向异性的影响。当大原子尺寸的稀土元素固溶入薄带合金的基体时，基体发生了四方畸变，四方度与磁致伸缩系数线性相关。随着在Fe83Ga17合金中添加稀土元素原子半径的增大，基体A2相的四方畸变增大，磁晶各向异性随之增大，本征磁致伸缩性能大大提高，说明四方畸变导致磁晶各向异性的增强是薄带巨磁致伸缩的主要来源。稀土元素的四极磁矩Q反映了稀土单离子磁晶各向异性对(Fe0.83Ga0.17)99.75RE0.25 (RE = Nd、Sm、Tb或Dy)合金薄带磁致伸缩的贡献度，并与其线性相关。当Q>0时，稀土单离子磁晶各向异性对薄带合金的磁致伸缩贡献为负值；当Q<0时，对薄带合金的磁致伸缩贡献为正值。通过估算：Nd、Sm、Tb和Dy元素分别加入Fe83Ga17二元合金薄带中磁性稀土单离子磁晶各向异性对磁致伸缩的贡献度分别为：11%、-18%、19%和18%。