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2013年10月10日Shanghai University幾個概念幾個概念矯頑力：矯頑力：使磁化至技術飽和的永磁體的B（磁感應強度）降低至零所需要的反向磁場強度稱為磁感矯頑力。（如圖當H 減小至零時，M不減小到零,而等于剩余磁化強度Mr。為使M減至零,需加一反向磁場，稱為矯頑力。）剩磁：剩磁：剩余磁化強度（retentivity）的簡稱，永磁體經(jīng)磁化至技術飽和，并去掉外磁場后所保留的表面場Br, 稱為剩余磁感感應強度。Shanghai University磁能積：磁能積：退磁曲線上任何一點的B和H的乘積即BH我們稱為磁能積，而BH的最大值稱之為最大磁能積，B

2、是磁感應強度，單位T 特斯拉，H 是磁場強度，單位 A/m。材料磁能積越高，在單位體積內(nèi)產(chǎn)生的磁場就越大，那么在達到某一磁場強度時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)點優(yōu)點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是：其磁性溫度系數(shù)較高，限制了它的應用。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)復合組成的永磁材料，通過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現(xiàn)磁藕合，獲得較高的磁性能。其優(yōu)點是1.高剩磁2.高磁能積3.相對高的矯頑力4.低的稀土含量5.較好的化學穩(wěn)定性 因此其是一種有廣泛應用前景的廉價稀土永磁材料。同時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。Shanghai University2.2.納米晶復合永磁材料的制備工藝及性能納米晶復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.機械合金化法， 3.氫化歧化脫氫再結合法(HDDR) 。 然后可以通過燒結、粘結、熱壓等方法制成磁體。其中熔體快淬法已比較成熟，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)；而機械合金化法和HDDR法還處在實驗室研究階段。 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)粉碎和適當熱處理得到細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，使其在極大的過泠度下凝固，獲得具過泠度下凝固，獲得具有超細結構的非平衡組有超細結構的非平衡組織，織，Shanghai University缺點：采用熔體快淬法制備的納米復合永磁材料，由于快淬薄帶冷卻速度不均導致了材料晶粒尺寸差別較大，進而影響

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。實驗成果：Liu 和 Davies將水冷輪轉(zhuǎn)速控制在22m /s ，Nd9(Fe1-xCo)84CaB6直接進行快淬，得到的薄帶基本為非晶態(tài)，并在600 800溫度下等溫退火4min。結果發(fā)現(xiàn)，當退火溫度為720時，納米晶復合磁體的剩磁和矯頑力同時獲得最大值。Shanghai University2.32.3機械合金化法機械合金化法定義：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中球磨，在高能球磨的條件下，利用金屬粉末混合物的重復發(fā)生變形、斷裂、焊合、原子間相互擴散或進行固態(tài)反應而形成合金粉末。 快淬法和HDDR法有一個共同之處，

8、就是均為先用真空感應熔煉爐把合金熔化。感應熔煉法的缺點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，受各組元物理化學性質(zhì)的影響很大。相較于另兩種方法機械合金法則避免了這個過程，因此具有很多優(yōu)勢。特點Shanghai University 用此種方法可使矯頑力可達到很高的水平，如果能進一步改善剩磁性能，則其磁能積將會有很大的提高。Shanghai University2.4HDDR2.4HDDR法法 HDDRHDDR法法(Hydrogenation-Decomposition-Desorption-Recombination)是用真空感應熔煉法制備合金鑄錠，將鑄錠在氫氣保護下均勻化處理

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異性磁體。 由于其反應在800左右的高溫下才能進行，一般得到的是亞微細晶組織材料，因此很難獲得納米晶組織，這一點從納米雙相藕合理論上來說，嚴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合磁體。缺點Shanghai University 綜合機械合金化法和HDDR法各自的特點，研究者正嘗試用機械球磨與HDDR法相結合制備納米晶復合永磁材料，可能制備出綜合性能好的復合永磁材料。Shanghai University3.3.添加元素對納米復合永磁材料性能的影響添加元素對納米復合永磁材料性能的影響 添加元素對于Nd2Fe14B/-Fe系和Pr2Fe14B/-Fe系納米復合永磁材料磁性能的提高有很大作用。對于這兩個系列的永磁材料，若添加少