Investigation of new high magnetostrictive materials

Abstract

Magnetostriktive Materialien, die bei niedrigem Magnetfeld eine hohe Magnetostriktion aufweisen, günstig in der Herstellung sind, dazu noch eine hohe mechanische Festigkeit und gute Duktilität besitzen, sind gute Kanditaten für industrielle Anwendungen als magnetomechanische Sensoren und Aktuatoren. Intermetallische Verbindungen, basierend auf der allgemeinen Formel 3d-Metall (Fe, Co) + Additiv (bis zu 25%, z.B.<br />Ga, Al, Ge, Pd oder ähnliche) erfüllen diese Anforderungen recht gut.<br />Diese Verbindungen haben alle recht ähnliche Phasendiagramme und kristallisieren in der A2, B2 oder DO3 Struktur. Die Idee diese Verbindung zu untersuchen basiert auf der Vorstellung dass die Reduktion der lokalen Symmetrie durch Substitution mit einem nicht-magnetischen Element vielleicht die Magnetostriktion erhöht.<br />Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Untersuchung der magnetischen und mikrostrukturellen Eigenschaften von Fe -basierten magnetostriktiven Materialien, die auf unterschiedliche Arten (Hochfrequenzschmelzen, "severe plastic deformation" (SPD), "melt spinning", "splat cooling" and "water quenching") hergestellt wurden. Zusätzlich wurde die Magnetostriktion sowohl von Fe-Mn und Ni-Ga Verbindungen, als auch über verschiedene Herstellungsarten produziertes CoFe2O4 untersucht.<br />Strukturelle Eigenschaften, Gitterkonstanten, Kristallitgröße und Textur wurden über XRD Analyse bestimmt. Die Magnetischen Eigenschaften wurden entweder in einem Pulsfeldmagnetometer oder in einem Standard VSM festgestellt. Die Magnetostriktionsmessungen wurden entweder mit Dehnungsmessstreifen oder in einer kapazitiven Zelle gemessen.<br />Bei der Untersuchung verschiedener Zusammensetzungen von Fe-Ga Bänder ("flakes") mit unterschiedlichen Abschreckraten wurde bei "Fe82.5Ga17.5 Bänder, das mit einer Abschreckgeschwindigkeit von 15 m/s gespritzt wurde, der höchste Magnetostriktionswert von 116 ppm gefunden. In der Probenserie "Fe-Ga rasch abgeschreckte Bänder wurde eine starke Abhängigkeit der Magnetostriktion mit der Abkühlrate festgestellt. Für "severe plastic deformed" Fe81Ga19 wurde eine Magnetostriktion von bis zu 67 ppm gemessen. Für langsam gekühltes polykristallines Fe81Al19 wurde eine Magnetostriktion von bis zu 62 ppm gefunden, wohingegen die Magnetostriktion der gespritzten Fe-Al Proben nur bis zu 30 ppm ergab.<br />Die Probenserie Ni-Ga zeigte keine signifikante Verbesserung der Magnetostriktion, ab ca 7% Ga in Ni nahm die Magnetostriktion sogar ab.<br />Die Fe-Mn Probenserie zeigte Magnetostriktionswerte bis ca. -70 ppm, man braucht aber ein Magnetfeld von mehr als 5 T um die Proben zu sättigen.<br />Der höchste Magnetostriktionswert (-147 ppm) in der CoFe2O4 - Serie wurde an Proben festgestellt welche mit der "Combustion Method" hergestellt wurden.<br />

Low cost magnetostrictive materials that exhibit a large magnetostric¬tion at low saturation field combined with a high mechanical strength and a good ductility are of great interest for applications in magnetomechanical sensors and actuators. Intermetallics based on the general formula 3d-metal (Fe, Co) + additives - up to 25% (such as Ga, Al, Ge, Pd or similar) are interesting candidates for new soft magnetic materials with a reasonable high magnetostriction. These alloys have a very similar phase diagram and crystallize in the A2, B2 or DO3 structure. The idea here is that due the substitution with a nonmagnetic element the local symmetry is reduced which causes an increase of the magnetostriction.<br />The main focus of this thesis is on the investigation of magnetic and microstructural properties of magnetostrictive materials based on alloys between 3d-metal Fe and additives - up to 25%, such as Ga, Al, Ni and Co using different production routes as high frequency induction melting, severe plastic deformation (SPD), melt spinning, splat cooling and water quenching. Additionally Fe-Mn and Ni-Ga alloys were also investigated.<br />In contrast to metallic systems, polymer composites and CoFe2O4 prepared with different routes were investigated with respect to magnetostriction in this thesis.<br />Structural properties lattice constant, crystallite size and texture were determined by using XRD analysis. Magnetic properties were measured using pulse field magnetometer or standard VSM. Magnetostriction mea¬surements were performed either by using standard strain gauge method or capacitance cell methods.<br />Among different composition of Fe-Ga ribbons, with different quench¬ing rates, Fe82.5Ga17.5 ribbon, melt spun at speed 15 m/s, has highest mag¬netostriction value of 116 ppm. In Fe-Ga rapidly quenched ribbons a strong dependence of magnetostriction on quenching rate was found. For Fe81Ga19 SPD bulk alloy magnetostriction values up to 67 ppm were measured. Slowly cooled bulk polycrystalline Fe81Al19 material exhibits a magnetostriction value of 62 ppm. The magnetostriction in Fe-Al melt spun ribbons reached only values up to 30 ppm. The addition of Ga in Ni does not significantly en¬hance the magnetostriction and for higher values of Ga (up to 7%) addition magnetostriction decreases. The addition of Mn in Fe results in an increase in magnetostriction to -70ppm, but requires higher field value (more than 5T) to reach saturation. The highest value of magnetostriction found in CoFe2O4 ferrite prepared by combustion method, was -147 ppm.