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几种磁性材料的辐照效应及结构演变研究

杨丽  
【摘要】:为实现航天器抗辐射加固设计,必须对空间环境中航天器关键材料的辐照效应进行深入研究。本论文选择了几种典型的航天器用磁性材料,分别研究质子、电子和中子辐照环境下材料的磁性能变化规律及损伤行为;并应用同步辐射实验技术等先进的结构分析测试手段,详细分析了不同粒子辐照环境对磁性材料的缺陷结构、组织结构、电子结构及磁畴结构的影响,定量表征了辐照后原子局域结构、原子磁矩和超精细场的变化特征,并综合辐照后材料的磁性能及精细结构的变化规律分析讨论了磁性材料的辐照损伤机制,同时对NdFeB稀土永磁体在质子辐照及温度退磁过程中的磁畴演化规律进行了细致的研究。 通过大量辐照试验得到了几种磁性材料在辐照环境下的性能变化规律:辐照使FeAl软磁合金技术磁性能改变,主要表现为矫顽力增加和磁导率的下降。辐照对FeCrCo、NdFeB永磁合金的影响主要表现为磁通损失的降低,而技术磁性能的变化并不明显;NdFeB永磁合金对辐照过程中的温度更为敏感。 辐照后FeAl合金中总的点缺陷数量增多,合金中存在的缺陷以单空位及小的空位团簇为主;电子辐照过程中极少出现由点缺陷的复合而形成的较大空位团。而在质子辐照过程中存在明显地单空位体的聚集及空位团的长大。 质子辐照导致了FeAl合金中Fe3Al有序相的析出,生成的Fe3Al有序相结构无序度较大。辐照并没有改变NdFeB和FeCrCo合金中主磁性相的晶体结构,但是对原子局域结构的影响较大。辐照主要引起了NdFeB合金中Fe原子周围约0.36nm范围内的局域环境的改变,辐照后Fe原子周围无序度增大,Fe-Nd配位数降低;电子辐照时FeCrCo合金中α1和α2两相之间发生了原子扩散,主要以Fe原子扩散为主。 M?ssbauer谱研究结果表明,辐照使永磁合金的超精细结构发生了改变,辐照后超精细磁场降低。质子辐照导致NdFeB永磁合金中磁性原子Fe的3d电子空态密度增加,同时Fe原子的键合环境发生了改变。X射线磁性圆二色试验结果表明,电子辐照改变了FeCrCo合金中磁性原子的轨道-自旋耦合作用,使原子磁矩发生了变化;辐照导致了Fe、Co原子3d电子空态密度的变化。 NdFeB磁体的磁畴结构观察结果表明,热退磁态以后的NdFeB磁体为多畴体,片状畴的平均宽度为2.1μm;剩磁态的NdFeB磁体中每个晶粒基本上都是饱和磁化的单畴体。质子辐照对NdFeB永磁体磁畴结构的影响主要表现为温度和应力的共同作用。温度的变化主要引起单畴体内磁化矢量的转动及反向畴的形成,辐照时形成的内应力使磁体原有的磁化矢量方向发生偏转,导致了微细条状畴的形成。 对于软磁合金,辐照引入的应力,由于相转变造成的微区磁滞伸缩系数的改变是合金磁性能变化的主要原因;辐照产生的结构缺陷引起微区内磁晶各向异性的扰动,加速反磁化畴的形核过程,同时阻碍畴壁运动是永磁合金性能变化的主要原因。


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