（材料學(xué)專(zhuān)業(yè)論文）雙相復(fù)合永磁體的研究及磁場(chǎng)熱處理裝置的設(shè)計(jì).pdf

內(nèi)蒙占科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 經(jīng)歷三代的稀土永磁體發(fā)展至今，第三代稀土永磁體( n d f e b 磁體) 的磁能積 已接近其理論極限值，滿(mǎn)足不了高技術(shù)提出的更高要求。而雙相交換耦合納米合成 材料( r 2 f e l 4 b 軟磁相) 的研究尚未取得重大突破。 本文通過(guò)冶煉，氫破碎，球磨，壓型，等靜壓，燒結(jié)和回火等工藝過(guò)程制備磁 體( p r , n d ) s f e 4 0 3 a l o 8 8 3 3 3 及( p r , n d ) s f e 4 6 5 a l o 8 5 8 3 6 8 ，并研究均勻化熱處理工藝對(duì) ( p r ，n d ) 8 f e 4 6 s a i o 8 s b 3 j 6 8 磁性能及其合金內(nèi)的o t - f e 軟磁相的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，均勻 化熱處理工藝可明顯降低與細(xì)化o t - f e 軟磁相的含量，并有助于僅f e 軟磁相與永磁相 發(fā)生交換耦合，同時(shí)可使其矯頑力從3 7 9 6k a m 提高到7 7 7k a m ，磁能積從1 4 9 k j m 3 提高到2 5 0k j m 。 利用v s m 對(duì)樣品b 1 進(jìn)行熱磁分析得到m t 曲線，結(jié)果證明b 1 樣品中含有洳 f e 軟磁相。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品退磁曲線可逆與不可逆變化的研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)均勻化熱 處理、燒結(jié)與退火處理之后剩余的僅f e 軟磁相能夠與永磁相發(fā)生交換耦合，這與傳 統(tǒng)的納米復(fù)合材料的制備工藝有所不同，我們所制備的磁體的永磁相并不是納米 級(jí)，因此可以說(shuō)明永磁相處于其具有高矯頑力機(jī)制的最佳尺寸( 3 5 1 a m ) 狀念的條件 下也可以有交換耦合效應(yīng)發(fā)生。這為新型稀土永磁材料的進(jìn)一步研究奠定了重要基 礎(chǔ)。 為了進(jìn)一步提高磁體性能并研究磁場(chǎng)熱處理對(duì)交換耦合效應(yīng)的影響，在本實(shí)驗(yàn) 中，設(shè)計(jì)并安裝了磁場(chǎng)熱處理裝置。通過(guò)磁路設(shè)計(jì)、磁場(chǎng)計(jì)算和最終的實(shí)際測(cè)量， 磁體裝置在直徑為7 0 m m 空間的中心磁場(chǎng)大于0 9 特斯拉，大于預(yù)期要求的o 7 特斯 拉的磁場(chǎng)；通過(guò)設(shè)計(jì)爐體裝置，使它能夠與磁場(chǎng)系統(tǒng)匹配，溫度可達(dá)到9 0 0 ，大于 預(yù)期要求的8 5 0 。該設(shè)備對(duì)新型永磁材料的進(jìn)一步研究提供了重要條件。 關(guān)鍵詞：稀土永磁體；交換耦合；均勻化熱處理；退磁曲線；磁能積 內(nèi)蒙占科技人學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t s i n c ed e v e l o p m e n to fr a r ee a r t hm a g n e t , t h em a x i m u me n e r g yp r o d u c to ft h e3 r d g e n e r a t i o no f r a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e t s ( n d - f e b ) h a sb e e na p p r o a c h e dt h et h e o r e t i c a l m a x i m u mv a l u e ，w h i c hc o u l dn o ts a t i s f yt h ed e v e l o p m e n to fh i g ht e c h n o l o g y t h es t u d yo n e x c h a n g i n gc o u p l e dn a n o c o m p o s i t e m a t e r i a lh a s n to b t a i n e ds i g n i f i c a n tp r o g r e s s ( p r , n d ) 8 f e 4 0 3 a l o 8 8 3 3 3a n d ( p r n d ) s f e a 6 5 a l o 8 5 8 3 6 sm a g n e t sw e r ep r e p a r e db ys m e l t i n g , h y d r o g e nb r o k e n , b a l lm i l l i n g , p r o f i l i n g ，h y d r o s t a t i cp r e s s i n g , s i n t e r i n ga n dp o s ta n n e a l i n gi n t h i sp a p e r t h ee f f e c t o fu n i f o r mh e a tt r e a t m e n to nm a g n e t i cp r o p e r t yf o r ( p r , n d ) 8 f e 4 6 5 a i o 8 5 8 3 6 8m a g n e ta n d0 【一f es o f tm a g n e t i cp h a s ei ni t si n g o t sw a ss t u d i e d t h e r e s u l ts h o w st h a tc l f es o f tm a g n e t i cp h a s e so fi n g o t se v i d e n t l yr e d u c e da n dr e f i n e da f t e r u n i f o t i nh e a tt r e a t m e n t t h eh c ii si n c r e a s e df r o m3 7 9 6t o7 7 7 k a ma n dt h e ( b h ) mi s i n c r e a s e df r o ml4 9t o2 5 0k j i m 3b yu n i f o r mh e a tt r e a t m e n t ，w h i c hc o n t r i b u t e st ot h e o c c u r r e n c eo fe x c h a n g ec o u p l i n g t h em tc u r v eo fb1s a m p l ew a so b t a i n e dt h r o u g hm a g n e t i ct h e r m a la n a l y s i su s i n g v i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r t h er e s u l ts h o w s t h a tt h e r ea r e0 【f es o f tm a g n e t i cp h a s ei n b1s a m p l e t h er e v e r s i b l ea n di r r e v e r s i b l ep a r t so fm a g n e t s d e m a g n e t i z a t i o nc u r v e sw e r e s t u d i e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ee x c h a n g ec o u p l i n gb e t w e e na f es o f tm a g n e t i cp h a s ea n d h a r dm a g n e t i cp h a s eh a so c c u r r e da f t e rs i n t e r i n ga n da n n e a l i n gt r e a t m e n t ，w h i c hi sd i f f e r e n t f r o mt r a d k i o n a lp r o c e s so fn a n o c o m p o s i t em a g n e t t h ee x c h a n g ec o u p l i n gc a no c c u rw h e n t h eh a r dm a g n e t i cp h a s eo ni t so p t i m a ls i z e ( 3 - 5 p r o ) w i t hh i 曲c o e r c i v i t y ，b e c a u s et h eh a r d m a g n e t i cp h a s ei nm a g n e tw a sp r e p a r e di s n o tn a n o l e v e l ，w h i c hl a y sa ni m p o r t a n t f o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d i e so fn e w - t y p er a r ee a r t hp e r m a n e n tm a t e r i a l s i no r d e rt oi m p r o v em a g n e t i cp r o p e r t ya n ds t u d yt h ee f f e c to fm a g n e t i ch e a tt r e a t m e n t o ne x c h a n g ec o u p l i n g ，m a g n e t i ch e a tt r e a t m e n td e v i c ew a sd e s i g n e di nt h i se x p e r i m e n t t h r o u g ht h ed e s i g no fm a g n e t i cc i r c u i t , t h ec a l c u l a t i o n o nm a g n e t i cf i e l da n dt h ef i n a la c t u a l m e a s u r e m e n t ，t h em a g n e t i cf i e l di nt h ec e n t e ro ft h em a g n e td e v i c ei sa p p r o a c ht o0 9 t ， w h i c hi sl a g e rt h a ne x p e c t e dr e q u i r e m e n to f0 7 t t h ef u m a c eb o d ym a t c h i n gw i t ht h e m a g n e t i cf i e l ds y s t e mw a sd e s i g n e da n d i t st e m p e r a t u r ec a nr e a c ht o9 0 0 * c ，w h i c hi sl a r g e r t h a ne x p e c t e dr e q u i r e m e n to f8 5 0 c t h ed e v i c ep r o v i d e sa l li m p o r t a n tc o n d i t i o nf o rt h e f u r t h e rr e s e a r c ho nn e w - t y p er a r ee a r t hp e r m a n e n tm a t e r i a l s k e yw o r d s ：r a r e e a r t hp e r m a n e n tm a g n e t ；e x c h a n g ec o u p l e ；u n i f o r mh e a tt r e a t m e n t ； d e m a g n e t i z a t i o nc u r v e ；m a x i m u me n e r g yp r o d u c t 2 獨(dú)創(chuàng)性說(shuō)明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的研究成果，也不包含為獲得 內(nèi)蒙古科技大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)所使用過(guò)的材料。與我一 同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說(shuō)明并 表示了謝意。 簽名：日期： 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解內(nèi)蒙古科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 即：學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？?以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保 存論文。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵循此規(guī)定) 簽名：釜蟄窖二一導(dǎo)師簽名：盥日期： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 引言 隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，磁性材料已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、通信、醫(yī)療以及 航空航天技術(shù)等許多高科技領(lǐng)域?，F(xiàn)代高科技的發(fā)展越來(lái)越要求器件的小型化和輕薄 化，使得人們不斷地尋找高矯頑力和高磁能積的磁性材料。直到上個(gè)世紀(jì)六十年代，第 一代稀土永磁材料s m c 0 5 被成功研制出來(lái)，拉開(kāi)了稀土永磁材料的帷幕。到七十年代 第二代稀土永磁材料s m 2 ( f e c o ) 1 7 成功問(wèn)世。直到1 9 8 3 年，g e 公司與s u m i t o m o 公司 研制成功第三代稀土永磁體n d f e b 磁體，由于其磁能積之大( 大于3 5 m g o e ) ，被稱(chēng) 為“磁王 。 經(jīng)過(guò)二十年的研究，人們采取許多措施提高n d f e b 磁體的磁性能，使得其磁能積 已接近其理論極限?，F(xiàn)代高技術(shù)( 信息與通訊技術(shù)、航空航天技術(shù)、磁懸浮交通技術(shù)、 核磁共振技術(shù)、納米技術(shù)及磁制冷技術(shù)等) 的發(fā)展對(duì)永磁體提出了更高的要求，而第三 代永磁材料滿(mǎn)足不了這些要求。要探索第四代永磁材料有兩條路線： 一、尋找飽和磁化強(qiáng)度高于n d f e b 磁體，且具有較高磁晶單軸各向異性的新材 料。這項(xiàng)研究工作，尚沒(méi)有任何線索； 二、 使具有高飽和磁化強(qiáng)度的軟磁相和高矯頑力的永磁相發(fā)生交換耦合，制成納 米復(fù)合永磁材料。這項(xiàng)工作已成為探索第四代永磁材料的主攻方向。 但目前德頓大學(xué)制備的最佳樣品的內(nèi)稟矯頑力不到1 3 特斯拉，遠(yuǎn)不如現(xiàn)有的釹鐵 硼磁體所能達(dá)到的內(nèi)稟矯頑力( 2 特斯拉左右) ；其磁能積也未超過(guò)第三代永磁材料。 主要原因是材料的微結(jié)構(gòu)，如晶粒尺寸、晶粒形狀、晶界及缺陷等因素很難達(dá)到理想模 型的條件。 目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已確認(rèn)，永磁相顆粒具有高矯頑力的最佳尺寸為3 - 5 斗m ，而目前國(guó) 內(nèi)外的雙相納米復(fù)合材料研究工作都集中于這樣的制備工藝：發(fā)生交換耦合的永磁相與 軟磁相都是納米尺寸，而納米尺寸的永磁相偏離其最佳尺寸。這是目前國(guó)內(nèi)外的雙相納 米復(fù)合材料研究工作未能取得重大突破的最主要原因。因此，我們提出研究第四代永磁 材料的新路線：用交換耦合機(jī)制來(lái)研制微米晶粒永磁相( n d 2 f e l 4 b ) 彌散在較大微米晶 粒軟磁相( 0 【f e ，f e 6 5 c 0 3 5 等) 中的第四代永磁材料的課題，其中的微米晶粒永磁相之 間的距離是納米級(jí)的，這為了使軟磁相內(nèi)沒(méi)有疇壁。本實(shí)驗(yàn)研究的最主要目的是探索微 米晶粒永磁相是否可能與軟磁相發(fā)生交換耦合，并通過(guò)適當(dāng)制備工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)這種交換耦 合。這為下一步沿著我們提出的新技術(shù)路線研究第四代永磁材料奠定重要的基礎(chǔ)，同時(shí) 研制的磁場(chǎng)熱處理裝置為下一步實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了必要條件。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 文獻(xiàn)綜述 1 1 永磁材料簡(jiǎn)介 永磁材料是指磁化后不易退磁而長(zhǎng)期保留磁性的一種磁性材料，故有時(shí)也稱(chēng)恒磁材 料。永磁材料是發(fā)現(xiàn)和使用都最早的一類(lèi)磁性材料。我國(guó)最早發(fā)明的指南器( 稱(chēng)為司南) 就是利用天然永磁材料磁鐵礦制成的?，F(xiàn)在的永磁材料不但種類(lèi)很多，而且用途也十分 廣泛。常用的永磁材料主要有以下三種磁特性： ( 1 ) 高的最大磁能積( b h ) m ，它是永磁 材料單位體積存儲(chǔ)并可利用的最大磁能量密度的量度：( 2 ) 高的矯頑力h c ，它是永磁 材料抵抗磁性的和非磁性的退磁干擾而保持其永磁性的能力的量度；( 3 ) 高的剩余磁 通密度b r 或高的剩余磁化強(qiáng)度m ，。它們是具有空氣隙的永磁材料的氣隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度的 量度。 目前常用的永磁材料有金屬永磁材料、鐵氧體永磁材料和稀土永磁材料。金屬永磁 材料是一類(lèi)發(fā)展和應(yīng)用都較早的以鐵和鐵族元素( 如鎳、鈷等) 為重要組元的合金型永磁 材料，主要有鋁鎳鈷( a l n i c o ) 系、鐵鉻鈷( f e c r c o ) 系和鉑鈷系三大類(lèi)永磁合金。 鋁鎳鈷系合金永磁性能較低，發(fā)展較早，性能隨化學(xué)成分和制造工藝而變化的范圍較 寬，但由于性能較低且含有戰(zhàn)略金屬n i 和c o ，價(jià)格較高，故其應(yīng)用受到一定的限制。 鐵鉻鈷系永磁合金的特點(diǎn)也是性能較低，但可進(jìn)行各種機(jī)械加工及冷或熱的塑性變形， 可以制成管狀、片狀或線狀永磁材料而供多種特殊應(yīng)用。鐵氧體永磁材料的優(yōu)點(diǎn)是性能 屬于中等，價(jià)格低廉，是以f e 2 0 3 為主要組元的復(fù)合氧化物。其中鋇鐵氧體 ( b a f e l 2 0 1 9 ) 和鍶鐵氧體( s r f e l 2 0 1 9 ) 的應(yīng)用比較廣泛。稀土永磁材料是當(dāng)前最大磁能 積最高的一大類(lèi)永磁材料，以稀土族元素和鐵族元素為主要成分的金屬互化物( 又稱(chēng)金 屬間化合物) ，應(yīng)用最廣泛。 1 1 1 永磁體的基本磁參量 永磁材料性能的優(yōu)劣，要依據(jù)其磁參量的大小來(lái)判斷。描述永磁材料的磁參量主要 有：退磁曲線、剩磁、矯頑力、最大磁能積和居里溫度等，還有磁化曲線、飽和磁化強(qiáng) 度和磁滯回線，此外還有這些磁性隨溫度變化的性能，即磁性的熱穩(wěn)定性。 1 1 1 1 磁化曲線和磁滯回線 處于熱退磁狀態(tài)的樣品，在磁場(chǎng)中磁化時(shí)，其磁化強(qiáng)度m 隨磁場(chǎng)強(qiáng)度h 的增加而 增加，所得到的曲線稱(chēng)為磁化曲線，如圖1 1 所示。磁化曲線的形狀用以研究永磁材料 的反磁化機(jī)制。樣品的磁化趨近飽和( 這里所說(shuō)的飽和磁化是技術(shù)上所能達(dá)到的) 時(shí)的 內(nèi)蒙古科技人學(xué)碩十學(xué)位論文 磁化強(qiáng)度m 稱(chēng)為飽和磁化強(qiáng)度，通常m s 用表示。當(dāng)達(dá)到技術(shù)飽和磁化后，m 。隨磁場(chǎng) 強(qiáng)度h 的增加，變化很小。 4 捆l f f 退磁曲線 廠 廠r 喙哪線l 。 圖1 1 永磁體的m 娜曲線圖 磁滯回線：鐵磁體經(jīng)正向到反向，再到正向反復(fù)磁化至技術(shù)飽和一周，所得到的磁 化強(qiáng)度m 與磁場(chǎng)強(qiáng)度h 的閉合關(guān)系曲線稱(chēng)為磁滯回線。 退磁曲線：磁體的磁滯回線的第二象限部分稱(chēng)為退磁曲線。 鐵磁體的磁化特性還經(jīng)常用磁感應(yīng)強(qiáng)度b 隨磁場(chǎng)強(qiáng)度h 的關(guān)系曲線( b h 曲線) 來(lái)表示。磁化強(qiáng)度m 和磁感應(yīng)強(qiáng)度b 之間存在如下關(guān)系： b = h + 4 x m 1 1 1 2 退磁曲線上的參數(shù) 圖1 2 為退磁曲線上的參數(shù)。 ( 式1 1 ) 圖1 2 退磁曲線上的磁參數(shù) 剩磁4 兀m ，或b r ：永磁體經(jīng)技術(shù)磁化至技術(shù)飽和后，撤去外磁場(chǎng)，所保留的缸m 即 內(nèi)蒙古科技人學(xué)碩十學(xué)位論文 剩磁4 尢m r ，且有：b r - - - 4 x m ，。永磁材料的剩磁主要受材料中飽和磁化強(qiáng)度和磁單軸各向 異性的大小的影響。 矯頑力：使磁化至技術(shù)飽和的永磁體的磁化強(qiáng)度m 退磁到零，所需要加的反向磁 場(chǎng)強(qiáng)度h 稱(chēng)為內(nèi)稟矯頑力，用h c i 表示；同理，使永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度b 降低到零所需 的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度稱(chēng)為磁感矯頑力，用h c b 表示( h c i h c b ) 。它們簡(jiǎn)稱(chēng)為矯頑力，用h c 表示。矯頑力主要反映永磁材料中反磁化核形成的難易及疇壁移動(dòng)的難易程度，這決定 于磁晶各向異性的強(qiáng)弱及材料中的雜質(zhì)和缺陷形態(tài)。 拐點(diǎn)退磁場(chǎng)h k ：在4 x m 退磁曲線上，4 x m = 0 9 x 4 x m ，那一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)稱(chēng)為拐 點(diǎn)退磁場(chǎng)h k ，它是4 x m 退磁曲線的方形度的量度。h k 越接近于內(nèi)稟矯頑力h 。i ，4 冗m 退磁曲線的方形度越好，材料的磁性穩(wěn)定性也就越好。 最大磁能積( b h ) m 缸：在b 退磁曲線上，b x h 值最大那一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的b x h 值稱(chēng)為最 大磁能積( b h ) m 戤，它表示磁體在磁路中所能提供的最大能量，磁體在間隙內(nèi)所產(chǎn)生的磁 場(chǎng)決定于磁能積。考慮帶有很小間隙的磁體回路的a b c d 封閉線，如圖1 3 所示。 圖1 3 有空隙的永磁體 由麥克斯韋方程，如式1 2 和1 3 ： 妒d 6 = 0 伊d t = 4 _ 。_ 至ni , - j f 礪 沿著a b c d 封閉線得： ( 式1 2 ) ( 式1 3 ) 內(nèi)蒙古科技人學(xué)碩士學(xué)位論文 b 。s 。= b g s g h 。1 。+ h 9 1 9 = 0 ( 式1 4 ) ( 式1 5 ) 帶足標(biāo)m 的表示磁體內(nèi)的參數(shù)，帶足標(biāo)g 的表示間隙內(nèi)的參數(shù)；在間隙內(nèi)有 毽= 以。于是得： h g = ( 式1 6 ) 可見(jiàn)磁體在間隙內(nèi)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)決定于磁能積( b h ) m ，也就是對(duì)于同樣的磁體技術(shù) 要求，所需要的磁體磁能積越高，體積越小，質(zhì)量越小，滿(mǎn)足輕捷方便的要求。 1 1 1 3 居里溫度 根據(jù)外斯的分子場(chǎng)理論【，當(dāng)溫度升高時(shí)，磁疇內(nèi)磁矩的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇，從而各項(xiàng) 磁性能均會(huì)有所下降。當(dāng)溫度升高到臨界溫度以上時(shí)，磁矩的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致磁疇結(jié)構(gòu)的 崩潰，于是發(fā)生鐵磁性向順磁性的轉(zhuǎn)變。這臨界溫度稱(chēng)為居里溫度，用t c 表示。 t c = 2 a j 瓦z ( j 一+ 1 ) ( 式1 7 ) 式中，a ：交換積分常數(shù)，z ：配位數(shù)，j ：原子的角量子數(shù)，k ：玻爾茲曼常數(shù)。 1 1 2 稀土永磁材料的發(fā)展過(guò)程 稀土永磁材料是二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)的新型金屬永磁材料。稀土永磁材料是以稀 土金屬元素與過(guò)渡族金屬所形成的金屬問(wèn)化合物為基體的永磁材料。例如n d f e b 系永 磁材料，它是以n d 2 f e l 4 b 化合物為基體，含有少量其他相的永磁體。通常稱(chēng)為稀土金 屬間化合物永磁體，簡(jiǎn)稱(chēng)為稀土永磁體。稀土永磁材料的發(fā)展簡(jiǎn)況如下： ( 1 ) 第一代稀土永磁材料( 6 0 - - 7 0 年代) 1 9 6 7 年，斯捷納特 2 1 ( k j s t r r 斌) 首先用粉木法制造了第一塊y c 0 5 永磁體，接著又 用同樣的方法研制出s m c 0 5 永磁體，他的成功引起了世界各國(guó)的重視。經(jīng)過(guò)眾多研究 者的努力，到了7 0 年代初，誕生了第一代稀土永磁體。它指s m c 0 5 、( s m p r ) c 0 5 單相燒 結(jié)永磁體，或以它們?yōu)榛接猩倭康? ：1 7 型沉淀相的多相材料。s m c 0 5 的磁能積 為：( b h ) m = 18 5 m g o e ( 1 4 7 3 k j m ) 。 內(nèi)蒙古科技人學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 2 ) 第二代稀土永磁材料( 7 啦8 0 年代) 1 9 7 2 年，k j s t m a t 和a r a y 【3 j 研制成功第二代稀土永磁體：s m 2 ( f e c o ) 1 7 ， ( b h ) m = 3 0 m g o e ( 2 3 8 8 k j m 3 ) 。 第二代稀土永磁材料是指s m 2 ( f e c o ) 1 7 或2 ：17 型r t m 永磁，其中r 代表稀土元 素，t m 代表過(guò)渡金屬元素，它們可以是2 ：1 7 單一化合物( 單相) ，也可以是以2 ：1 7 相為基體含有少量1 ：5 型沉淀相的多晶永磁體。上述兩種稀土永磁材料都含有大量的c o 元素，溫度穩(wěn)定性較好，居里點(diǎn)高達(dá)8 0 0 以上。但s m 在地殼中的含量甚微，c o 是戰(zhàn) 略?xún)?chǔ)備物資，因而這兩種永磁體成本太高，難于大量推廣，限制了其使用。 ( 3 ) 第三代稀土永磁材料( 8 0 年代以來(lái)) 1 9 8 4 年，g e 公司與s u m i t o m o 公司【4 】研制成功第三代稀土永磁體：n d 2 f e l 4 b ， ( b i - i ) m = 3 6 m c 的e ( 2 8 6 k j m 3 ) 。 它由主相n d 2 f e l 4 b 和少量的富n d 相、富b 相組成。當(dāng)n d 原子和f e 原子分別被 不同的r 原子和t m 過(guò)渡原子取代，可發(fā)展成多種不同成分的r - f e b 磁體。由于它以 含量多、價(jià)格相對(duì)便宜的稀土n d 和f e 為主要原料，且綜合磁性能也高，故獲得了快 速發(fā)展。它主要缺點(diǎn)是居罩溫度低，溫度穩(wěn)定i 生較差，易腐蝕。 圖1 4 是對(duì)永磁材料發(fā)展歷程及其性能的總結(jié)。 1 9 1 01 9 2 01 9 3 01 9 4 01 9 5 01 9 6 01 9 7 01 9 8 01 9 9 0 2 0 0 0 圖1 4 永磁材料的發(fā)展歷程 工 - 一 暑 二、 互 o o 經(jīng)過(guò)二十年的研究，采用許多技術(shù)改進(jìn)第三代永磁體的磁性能，例如：以適量的 c o 取代部分f e ，以適量的d y 或重稀土取代部分n d ，適量添力1 1 1 1 1 族元素或族元素， 采用鑄片爐冶煉技術(shù)，采用氫爆破碎技術(shù)，采用低氧技術(shù)，采用液相燒結(jié)技術(shù)等等，這 不但提高了n d f e b 磁體的矯頑力和使用溫度，而且使n d f e b 磁體的磁能積不斷提 高，現(xiàn)在已經(jīng)接近其理論極限值。永磁體磁能積的理論值決定于以下公式： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 脾) 咄學(xué) 可見(jiàn)，永磁體磁能積的理論極限決定于其飽和磁化強(qiáng)度( 4 x m 。) 體，其磁能積的理論值為： c 刪k = 掣= 掣g 仇= 6 8 0 6 m g 。p 為了接近理論極限，要求： b ，4 r i m 。 h 。i ( 4 x m 。) 2 ( 式1 8 ) 。對(duì)于n d - f e b 磁 ( 式1 9 ) ( 式1 1 0 ) 現(xiàn)在美國(guó)m c e 公司n d f e b 永磁體商品的磁能積所達(dá)到的水平為：b r = 1 5 0 0 0 g s ， h c i = 1 3 0 0 0 0 e ，( b h ) m = 5 5 m g o e 。 日本n e o m a x 公司所達(dá)到的水平為：( b h ) m = 5 9 5 m g o e 。 在實(shí)驗(yàn)室，n d f e b 永磁體的磁能積所達(dá)到的水平為【5 】：( b h ) m = 6 6 2 m g o e 。 由此可見(jiàn)，現(xiàn)在所能得到的n d f e b 永磁體磁能積的最佳值已經(jīng)接近其理論極限 值；在現(xiàn)有研究思路的框架內(nèi)，提高n d f e b 永磁體磁能積的潛力已不大。 1 2 利用交換耦合原理探索新型永磁材料的新思路 目前永磁材料磁能積的發(fā)展非常緩慢，按以前稀土永磁體的發(fā)展歷程的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看， 要想有一個(gè)跳躍式的發(fā)展，必須發(fā)現(xiàn)一種新型的永磁材料，即第四代永磁材料。而要想 開(kāi)發(fā)一種新型的具有優(yōu)良內(nèi)稟磁特性的永磁材料，不外乎兩種途徑：一是發(fā)現(xiàn)新的具有 優(yōu)良內(nèi)稟磁特性( 飽和磁化強(qiáng)度，磁晶單軸各向異性，居罩溫度) 的永磁化合物；二是 發(fā)展復(fù)合材料，即：使具有高飽和磁化強(qiáng)度的軟磁相和高矯頑力的永磁相發(fā)生交換耦 合，制成納米復(fù)合永磁材料；這充分利用現(xiàn)有磁性材料的內(nèi)稟磁性能，使其內(nèi)稟磁性潛 力在技術(shù)磁性上得到最大限度的發(fā)揮。對(duì)于稀土永磁材料，磁能積主要取決于單軸磁晶 各相異性場(chǎng)和飽和磁化強(qiáng)度，而這兩個(gè)因素又是相互對(duì)立的一對(duì)矛盾因素。永磁化合物 的高單軸磁晶各向異性來(lái)源于3 d - 4 f 交換耦合和晶體場(chǎng)效應(yīng)，這效應(yīng)與稀土離子的存在 相關(guān)，而稀土離子的存在卻降低了材料的飽和磁化強(qiáng)度，這也是軟磁材料的飽和磁化強(qiáng) 度往往大于永磁材料的內(nèi)在原因。而且近年來(lái)許多研究人員已經(jīng)對(duì)各種材料磁性進(jìn)行了 大量的研究，結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)比n d f e b 永磁體磁能積更大的永磁材料候選者，因此發(fā)現(xiàn) 內(nèi)蒙占科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 新的具有優(yōu)良內(nèi)稟磁特性的稀土永磁化合物的可能性微乎其微。所以第二種途徑就顯得 尤為重要。 磁能積( b h ) m 是永磁材料的重要性能指標(biāo)。在理想的情況下，當(dāng)m r = m 。時(shí)，永磁材 料磁能積的理論值( b h ) m _ 9 4 n m s ) 2 4 ；實(shí)際上工業(yè)生產(chǎn)的永磁材料總是m r d s 圖1 7 與圖1 6 退磁過(guò)程相對(duì)應(yīng)的退磁曲線 1 2 護(hù) 量毒q l h h ci d 1 d 2 d s 界 日柚1 瑚 帆 。小。l小。i 磁 m 分 永j铘m阻朱 申。，。1一 一 醐一 撇”妊 內(nèi)蒙古科技人學(xué)碩士學(xué)位論文 可見(jiàn)，在滿(mǎn)足以上兩個(gè)條件的情況下，由永磁相與軟磁相合成的材料的磁性就是完 全的永磁性?？赡娑蔚那€1 對(duì)應(yīng)于軟磁相的厚度d 。，曲線2 對(duì)應(yīng)于軟磁相的厚度 反：，曲線3 對(duì)應(yīng)于軟磁相的厚度d ，曲線4 對(duì)應(yīng)于軟磁相的厚度叱，而且 d 0 4 d 0 3 d 0 2 r 7 f 。 | f i 2 j ? 6 5 0 0c 1 7 m m - 2 0 oo o2 0 b ) r 。 - _ _ _ _ _ m 一7 5 0 0c 7 m m 。2 0，o01 02 0 - c ) r - 。 ； _ i _ # _ 一 7 5 0 0 c 1 5 m i f l 2 01 0o o2 0 件d 砂 圖1 8 幾種不同熱處理得到的樣品的磁滯回線 從圖中可以看出，最佳熱處理是7 5 0 * c 5 m i n ，最大磁能積達(dá)1 4 2 m g o e 。0 【f e 的晶 粒度為10 r i m ，n d 2 f ez a b 的晶粒度為5 5 n m 。光滑的磁滯回線和剩磁增強(qiáng)效應(yīng)表明交換耦 o o o o o o o o o o d d d d b 加 竹 o 鋤 己 協(xié) o 己 竹 。 伯 艿邑衰， 艿琶蕞毒fi9邑亳， 內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩十學(xué)位論文 合的存在。綜合以上，熱處理的溫度和時(shí)間不同所得到的磁體的磁性能將會(huì)有很大的不 同。 除此之外，磁場(chǎng)熱處理工藝在鋁鎳鈷生產(chǎn)過(guò)程中是常見(jiàn)的一種熱處理方法，現(xiàn)在也 用于納米復(fù)合永磁材料的性能改善。1 9 9 8 年趙鐵民，郝云言等人i l6 j 研究了外加磁場(chǎng)對(duì) 非晶n d 5 5 f e 6 6 8 1 8 5 c r 5 c 0 5 ，n d 4 5 f e 7 7 8 1 8 6 和n d l o 5 f e 7 0 8 7 7 z r 2 5 c o l 0 粉未的晶化與磁性的影 響。發(fā)現(xiàn)在熱處理過(guò)程中加外磁場(chǎng)可以促進(jìn)快淬非晶粉術(shù)的晶化，使相轉(zhuǎn)變?cè)谳^低的溫 度下進(jìn)行。同時(shí)在較低溫度下，可明顯細(xì)化n d 5 5 f e 6 6 8 1 8 5 c r 5 c 0 5 的軟硬磁相，尤其是軟 磁相晶粒，減少晶間相。g a oy o u h u i ，z h uj i n g h a n 等【l7 j 在研究中同樣發(fā)現(xiàn)對(duì) n d 4 f e 7 6 c 0 3 h 島5 0 a o 5 8 1 6 進(jìn)行磁場(chǎng)熱處理可以明顯加強(qiáng)軟硬磁相之間的交換耦合作用。 2 0 0 0 年計(jì)齊根和都有為【1 8 j 研究了磁場(chǎng)熱處理對(duì)n d 2 f e l 4 b 旭f e 納米( 3 0 0 - - 4 0 0 ) 有明 顯的處理效果；磁場(chǎng)處理可加強(qiáng)磁性相之間的耦合，提高磁體的矯頑力和剩磁比。 b z c u i 等【1 9 l 研究了n d 2 4 p r 5 6 d y l f e 8 4 m o l b 6 在退火過(guò)程中加入磁場(chǎng)( 1 9 t ) 對(duì)其磁性能 的影響，結(jié)果表明：加磁場(chǎng)使晶粒細(xì)化并減少了晶粒棱角，使軟硬磁相分布也更加均 勻，n d 2 4 p r 5 6 d y l f e 8 4 m o l b 6 的矯頑力，剩磁，磁能積都得到很大程度的改善：( b h ) m 在 5 0 和3 0 0 k 時(shí)分別提高了4 3 7 和3 5 7 ，而且也有效提高了磁體晶化溫度，縮短晶化 時(shí)間；磁場(chǎng)熱處理可細(xì)化晶粒，增強(qiáng)晶粒問(wèn)磁交換的方形度。磁場(chǎng)下退火同樣加強(qiáng)了交 換耦合作用。連利仙，劉穎等人【2 0 l 研究了磁場(chǎng)熱處理工藝對(duì)n d l o 5 f e 7 6 4 c 0 5 z r 2 8 6 1 永磁 體組織結(jié)構(gòu)和磁性能的影響，結(jié)果表明：與傳統(tǒng)熱處理工藝相比，晶化過(guò)程中外加磁場(chǎng) 可促進(jìn)快淬n d f e b 粉術(shù)的晶化，降低耦合作用，提高磁性能。在外加磁場(chǎng)為0 2 8 t ， 經(jīng)6 7 0 。c 1 0 m i n 的晶化處理后，可獲得最佳磁性能：b r _ 0 6 7 0 t ，h 。i = 8 6 3 3 0 e ， i - i e b = 5 3 6 6 0 e ，( b h ) m - - 9 4 m g o e 。2 0 0 7 年，s h i y a nz h a n g ，h u ix u 【2 1 j 等研究了脈沖磁場(chǎng)熱 處理對(duì)n d 8 5 f e 7 7 c 0 5 z r 2 7 g a o 6 8 6 2 的磁性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：脈沖磁場(chǎng)不僅增加了剩磁 和矯頑力，還提高了方形度，說(shuō)明脈沖磁場(chǎng)增強(qiáng)了永磁相和軟磁相之問(wèn)的交換耦合，最 佳磁性能出現(xiàn)在退火溫度在居里溫度附近：j = 0 9 7 5 t ，h = 5 8 2 k a m ，( b i - i ) m = 1 6 4 m g o e ( 1 3 1 k j m 3 ) 。由此可見(jiàn)，磁場(chǎng)熱處理不失為加強(qiáng)交換耦合、提高納米復(fù)合永磁材料的 一種好方法。 材料成分設(shè)計(jì)方面，通過(guò)合金化的手段可以改善納米復(fù)合磁體的微結(jié)構(gòu)或提高內(nèi)稟 磁性，從而提高合金的硬磁性能。根據(jù)添加元素原子在合金晶粒結(jié)構(gòu)中的位置及所起的 作用，可以把添加元素分為替代型和摻雜型兩類(lèi)。下面分別介紹兩種類(lèi)型的添加元素對(duì) 納米復(fù)合稀土永磁體性能的影響。 ( 1 ) 替代型元素：添加替代型元素是指用稀土元素、過(guò)渡族元素或類(lèi)金屬元素原 子替代軟、硬磁性相中的n d 、f e 、b 原子以提高其內(nèi)稟磁性能。 內(nèi)蒙古科技人學(xué)碩十學(xué)位論文 c h a n g 等人【2 2 】研究認(rèn)為，l a 替代部分n d 對(duì)快淬過(guò)程中形成非晶較為有利，可以降 低快淬速度，并且l a 的加入，能夠抑制晶粒在退火過(guò)程中的長(zhǎng)大。由于晶粒細(xì)化，隨 l a 含量的增加，n d 2 1 4 b 和a f e 之間的交換耦合增強(qiáng)。但l a 是非磁性原子，它的加 入會(huì)降低飽和磁化強(qiáng)度。 通常采用p r 、t b 、o y 等元素替代n d ，由于p r e f e l 4 b ，t b 2 f e l 4 b ，d y 2 f e , 4 b 的各向 異性場(chǎng)均比n d 2 f e l 4 b 要耐馴，替代后可提高硬磁性相的各向異性，從而提高磁體矯頑 力 2 4 , 2 5 】。但是p r 的替代會(huì)使磁體的居罩溫度降低，而t b ，d y 由于是重稀土元素，它們 的替代會(huì)使剩磁有所下降。另外t b 的價(jià)格比較高，所以常用d y 取代n d 。 m z h a n g ，z d z h a n g 等 2 6 - 2 8 j 系列研究了s m 、y 、g d 取代n d 對(duì)納米復(fù)合永磁材 料性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，三種替代均可以增加剩磁增強(qiáng)效應(yīng)，但對(duì)于剩磁和矯頑力的 影響不盡相同。這是s m ，y ，g d 離子在r 2 f e l 4 b 品格中的磁化行為的不同所引起的。 f e 原子的主要替代元素有c o 、舢、g a 、s i 、n i 、c r 、m n 、c u 掣2 9 3 l j ，其對(duì)材料 磁性能的改善也多以犧牲一方面的性能為代價(jià)。c o 可同時(shí)取代硬磁性相和軟磁性相中 的f e ，可同時(shí)提高材料的各向異性和矯頑力【3 2 - 3 4 1 。s y z h