納米晶稀土永磁材料的研究

1、納米晶稀土永磁材料的研究上海大學(xué)2013年10月10日Shanghai University幾個(gè)概念幾個(gè)概念矯頑力：矯頑力：使磁化至技術(shù)飽和的永磁體的B（磁感應(yīng)強(qiáng)度）降低至零所需要的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為磁感矯頑力。（如圖當(dāng)H 減小至零時(shí)，M不減小到零,而等于剩余磁化強(qiáng)度Mr。為使M減至零,需加一反向磁場(chǎng)，稱為矯頑力。）剩磁：剩磁：剩余磁化強(qiáng)度（retentivity）的簡(jiǎn)稱，永磁體經(jīng)磁化至技術(shù)飽和，并去掉外磁場(chǎng)后所保留的表面場(chǎng)Br, 稱為剩余磁感感應(yīng)強(qiáng)度。Shanghai University磁能積：磁能積：退磁曲線上任何一點(diǎn)的B和H的乘積即BH我們稱為磁能積，而B(niǎo)H的最大值稱之為最大磁能積，B

2、是磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位T 特斯拉，H 是磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位 A/m。材料磁能積越高，在單位體積內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越大，那么在達(dá)到某一磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)所需的磁鐵體積就更小。硬磁，軟磁材料：硬磁，軟磁材料：磁性材料按照磁化后去磁的難易程度，可分為軟磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物質(zhì)叫軟磁材料，不容易去磁的物質(zhì)叫硬磁材料。一般來(lái)講軟磁性材料剩磁較小，硬磁性材料剩磁較大。Shanghai University1.納米晶稀土永磁材料的概念納米晶稀土永磁材料的概念1.11.1永磁材料永磁材料 永磁材料(permanent magnetic material)是又稱“硬磁材料”，一經(jīng)磁化即能保持恒定磁性的材料。具

3、有寬磁滯回線、高矯頑力、高剩磁，一經(jīng)磁化即能保持恒定磁性的材料。常用的永磁材料分為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、稀土永磁材料和復(fù)合永磁材料。Shanghai University1.21.2稀土永磁材料稀土永磁材料 稀土永磁材料是指稀土金屬和過(guò)渡族金屬形成的合金經(jīng)一定的工藝制成的永磁材料。主要是稀土鈷永磁材料和釹鐵硼永磁材料。前者是稀土前者是稀土元素鈰、鐠、元素鈰、鐠、鑭、釹等和鑭、釹等和鈷形成的金鈷形成的金屬間化合物。屬間化合物。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1.磁能積很高2.磁性溫度系數(shù)低3.磁性穩(wěn)定4.矯頑力高Shanghai University 釹鐵硼永磁材料是第三代稀土永磁材料。釹鐵硼

4、永磁材料是第三代稀土永磁材料。優(yōu)點(diǎn)是：其剩磁、矯頑力和最大磁能積比前者高，不易碎，有較好的機(jī)械性能，合金密度低，有利于磁性元件的輕型化、薄型化、小型和超小型化缺點(diǎn)是：其磁性溫度系數(shù)較高，限制了它的應(yīng)用。Shanghai University1.31.3納米晶稀土永磁材料納米晶稀土永磁材料 納米晶稀土永磁材料是由軟磁相和硬磁相在納米尺度內(nèi)復(fù)合組成的永磁材料，通過(guò)矯頑力低的軟磁相與矯頑力高的硬磁相之間的交換相互作用而實(shí)現(xiàn)磁藕合，獲得較高的磁性能。其優(yōu)點(diǎn)是1.高剩磁2.高磁能積3.相對(duì)高的矯頑力4.低的稀土含量5.較好的化學(xué)穩(wěn)定性 因此其是一種有廣泛應(yīng)用前景的廉價(jià)稀土永磁材料。同時(shí)隨著晶粒尺寸的減小

5、，比表面積增大，晶間交換藕合作用顯著增強(qiáng)。Shanghai University2.2.納米晶復(fù)合永磁材料的制備工藝及性能納米晶復(fù)合永磁材料的制備工藝及性能2.12.1目前生產(chǎn)納米晶稀土系磁粉的幾種制備工藝目前生產(chǎn)納米晶稀土系磁粉的幾種制備工藝 目前生產(chǎn)納米晶稀土系磁粉的制備工藝主要有：1.熔體快淬法， 2.機(jī)械合金化法， 3.氫化歧化脫氫再結(jié)合法(HDDR) 。 然后可以通過(guò)燒結(jié)、粘結(jié)、熱壓等方法制成磁體。其中熔體快淬法已比較成熟，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)；而機(jī)械合金化法和HDDR法還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。 Shanghai University2.22.2熔體快淬法熔體快淬法 熔體快淬法通常是利用

6、單輥真空熔體快淬設(shè)備冶煉母合金，然后真空快淬得到鱗片狀薄帶，其晶粒大小一般30nm左右，經(jīng)粉碎和適當(dāng)熱處理得到細(xì)小的稀土合金磁粉末。用快淬法制備的磁粉磁性能均是各向同性。熔體快淬就是在真空狀熔體快淬就是在真空狀態(tài)下，將熔融的金屬或態(tài)下，將熔融的金屬或合金在一定的壓力下，合金在一定的壓力下，注射到高速旋轉(zhuǎn)的水冷注射到高速旋轉(zhuǎn)的水冷銅輥上，使其在極大的銅輥上，使其在極大的過(guò)泠度下凝固，獲得具過(guò)泠度下凝固，獲得具有超細(xì)結(jié)構(gòu)的非平衡組有超細(xì)結(jié)構(gòu)的非平衡組織，織，Shanghai University缺點(diǎn)：采用熔體快淬法制備的納米復(fù)合永磁材料，由于快淬薄帶冷卻速度不均導(dǎo)致了材料晶粒尺寸差別較大，進(jìn)而影響

7、了晶粒間的藕合作用，使磁性能不太理想，最高磁能積較小。實(shí)驗(yàn)成果：Liu 和 Davies將水冷輪轉(zhuǎn)速控制在22m /s ，Nd9(Fe1-xCo)84CaB6直接進(jìn)行快淬，得到的薄帶基本為非晶態(tài)，并在600 800溫度下等溫退火4min。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)退火溫度為720時(shí)，納米晶復(fù)合磁體的剩磁和矯頑力同時(shí)獲得最大值。Shanghai University2.32.3機(jī)械合金化法機(jī)械合金化法定義：定義：直接用組成合金的各組元粉末做原材料在高能球磨機(jī)中球磨，在高能球磨的條件下，利用金屬粉末混合物的重復(fù)發(fā)生變形、斷裂、焊合、原子間相互擴(kuò)散或進(jìn)行固態(tài)反應(yīng)而形成合金粉末。 快淬法和HDDR法有一個(gè)共同之處，

8、就是均為先用真空感應(yīng)熔煉爐把合金熔化。感應(yīng)熔煉法的缺點(diǎn)在于合金成份不能連續(xù)可調(diào)和精確控制，并且在合金的制備中，受各組元物理化學(xué)性質(zhì)的影響很大。相較于另兩種方法機(jī)械合金法則避免了這個(gè)過(guò)程，因此具有很多優(yōu)勢(shì)。特點(diǎn)Shanghai University 用此種方法可使矯頑力可達(dá)到很高的水平，如果能進(jìn)一步改善剩磁性能，則其磁能積將會(huì)有很大的提高。Shanghai University2.4HDDR2.4HDDR法法 HDDRHDDR法法(Hydrogenation-Decomposition-Desorption-Recombination)是用真空感應(yīng)熔煉法制備合金鑄錠，將鑄錠在氫氣保護(hù)下均勻化處理

9、后破碎成粉末，把粉末放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行氫化、歧化、脫氫、重組處理，然后快速冷卻至室溫而得到各向異性磁粉，所以用這種方法可以制得高矯頑力的各項(xiàng)異性磁體。 由于其反應(yīng)在800左右的高溫下才能進(jìn)行，一般得到的是亞微細(xì)晶組織材料，因此很難獲得納米晶組織，這一點(diǎn)從納米雙相藕合理論上來(lái)說(shuō)，嚴(yán)重影響了材料硬磁相與軟磁相之間的藕合作用，很難獲得高性能的復(fù)合磁體。缺點(diǎn)Shanghai University 綜合機(jī)械合金化法和HDDR法各自的特點(diǎn)，研究者正嘗試用機(jī)械球磨與HDDR法相結(jié)合制備納米晶復(fù)合永磁材料，可能制備出綜合性能好的復(fù)合永磁材料。Shanghai University3.3.添加元素對(duì)納米復(fù)合永磁材料性能的影響添加元素對(duì)納米復(fù)合永磁材料性能的影響 添加元素對(duì)于Nd2Fe14B/-Fe系和Pr2Fe14B/-Fe系納米復(fù)合永磁材料磁性能的提高有很大作用。對(duì)于這兩個(gè)系列的永磁材料，若添加少