哈工大畢業(yè)設(shè)計和課程設(shè)計論文模板

課程設(shè)計稀土永磁材料NdFeB研究進展班 級： 學 號： 姓 名： 專 業(yè)： 指導老師： 10月

摘 要本文闡述了NdFeB稀土永磁材料分類，介紹了NdFeB稀土永磁材料應(yīng)用，并依照現(xiàn)實狀況對永磁材料應(yīng)用前景進行了展望。關(guān)鍵詞：NdFeB稀土永磁材料；燒結(jié)NdFeB稀土永磁材料；粘結(jié)NdFeB稀土永磁材料；NdFeB稀土永磁材料薄膜目錄摘要 ……………….II第1章緒論 1.1課題背景及研究目標和意義……………….11.2稀土元素介紹………...……..….11.3永磁材料介紹.................................................................................................….1 1.4稀土永磁材料發(fā)展歷程...............................................................................….11.5NdFeB稀土永磁材料概述...........................................................................…..2第2章燒結(jié)NdFeB稀土永磁材料概述2.1燒結(jié)NdFeB稀土永磁材料性能特點……..32.2燒結(jié)NdFeB稀土永磁材料制備………..….32.3燒結(jié)NdFeB稀土永磁材料制備工藝…………………..….42.4添加合金元素對燒結(jié)NdFeB稀土永磁材料影響……..…62.5燒結(jié)NdFeB稀土永磁材料應(yīng)用………..….8第3章粘結(jié)NdFeB稀土永磁材料3.1粘結(jié)NdFeB稀土永磁材料制備和性能特點………………..93.2粘結(jié)NdFeB稀土永磁材料應(yīng)用…………..9第4章NdFeB稀土永磁材料薄膜…….…....10結(jié)論……………...…11參考文件…………..11第1章緒論1.1課題背景及研究目標和意義經(jīng)過對稀土永磁材料NdFeB研究進展探索，靈活利用所學內(nèi)容，了解該材料制備原理，并經(jīng)過其應(yīng)用前景加深對稀土化學課程內(nèi)容了解探究和窺探整個化學行業(yè)發(fā)展。1.2稀土元素介紹稀土元素指是化學元素周期表中鑭系元素——鑭(La）、鈰(Ce）、鐠(Pr）、釹(Nd）、钷(Pm）、釤(Sm）、銪(Eu）、釓(Gd）、鋱(Tb）、鏑(Dy）、鈥(Ho）、鉺(Er）、銩(Tm）、鐿(Yb）、镥(Lu），以及與鑭系15個元素親密相關(guān)元素——鈧(Sc)和釔(Y)共17種元素。1.3永磁材料介紹永磁材料又稱硬磁材料，是一類經(jīng)過外加磁場磁化以后能長時間保留磁性、并能經(jīng)受不太強外加磁場和其余環(huán)境原因（如振動和溫度等）干擾強磁材料，因這類材料能長久保留其剩磁，故稱永磁材料[1]。永磁材料通常具備較高矯頑力和磁各向異性，磁化線面積和磁化到技術(shù)需要磁化場都比較大。另外，永磁對外加干擾磁場和振動、溫度等非磁性原因改變穩(wěn)定性較高[2]1.4稀土永磁材料介紹稀土永磁材料是眾多磁功效器件物質(zhì)基礎(chǔ)，已成為電子技術(shù)通訊中主要材料，其應(yīng)用程度是一個國家和地域科學研究水平和應(yīng)用技術(shù)高低一個主要標志。如圖1所表示[3]，稀土永磁材料按開發(fā)應(yīng)用時間可分為第一代釤鈷(SmCo5)、第二代釤鈷(Sm2Co17)和第三代釹鐵硼(Nd2Fe14B)稀土永磁材料，近年來又研究發(fā)覺了SmFeN系稀土永磁材料和由Nd2Fe14B/－Fe、Sm2Co17/FeCo等組成納米雙相交換耦合永磁材料等。[4]圖1稀土永磁材料發(fā)展歷程1.5NdFeB稀土永磁材料概述NdFeB永磁材料以高磁能積（如圖2所表示）、高飽和磁化強度以及低廉價格等優(yōu)勢逐步成為現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛一類稀土永磁材料。[5]迄今為止，試驗室中NdFeB磁體最大磁能積已經(jīng)能抵達460kJ/m3。[6]NdFeB永磁材料主要分為燒結(jié)NdFeB永磁材料、粘結(jié)NdFeB永磁材料以及NdFeB永磁材料薄膜三大類，接下來本文主要介紹它們制備及應(yīng)用。圖220世紀不一樣永磁材料磁能積發(fā)展第2章燒結(jié)NdFeB永磁材料2.1燒結(jié)NdFeB磁體性能特點燒結(jié)NdFeB永磁材料：燒結(jié)NdFeB以Nd2Fe14B化合物為基體制備而來，[7]它是現(xiàn)在以及未來一定時段內(nèi)最主要永磁材料。該類材料主要性能特點主要有兩點。1）成本較低:燒結(jié)NdFeB永磁材料能量密度在384kJ·m一3到170kJ·m一3之間[8],故相同成本能夠購置焦耳能量是最多。而且燒結(jié)NdFeB永磁材料原材料非常豐富，我國稀土資源工業(yè)儲量約4800萬t，遠景儲量約12000萬t，占世界稀土量70%~80%；而且以鐵取代昂貴戰(zhàn)略金屬Co和Ni等［9］。所以綜上燒結(jié)NdFeB永磁材料最廉價。2）磁性能高。由表1經(jīng)過與其余永磁性能比較表明[10]，燒結(jié)NdFeB永磁材料(BH)m比Sm2Co17,:高約50%,分別為鐵氧體和AIN記。10和4倍;剩磁Br比AlNiC。高15%,是鐵氧體3倍;Hc是Sm2Co172倍,鐵氧體5倍。由此可見,燒結(jié)NdFeB永磁材料與其余永磁材料相比,具備高剩磁、高磁能積、高矯頑力特點,是現(xiàn)在世界上發(fā)覺永磁材料中磁性能最強一個。同時,其機械性能好,加工方便,成品率高,可裝配后充磁。燒結(jié)NdFeB永磁材料缺點是其Br溫度系數(shù)比Sm2Co17和AlNiCo高,但比鐵氧體低。表一燒結(jié)NdFeB稀土永磁材料和其余永磁材料性能比較2.2燒結(jié)NdFeB永磁材料制備燒結(jié)NdFeB系稀土永磁材料由主相Nd2Fe14B、富Nd相、富B相以及稀土氧化物組成,其中只有主相是磁性相,其余均是非磁性相。所以,燒結(jié)NdFeB系稀土永磁材料磁能積主要由主相體積分數(shù)和晶體取向度決定。主相體積分數(shù)取決于合金成份設(shè)計,取向度取決于磁體制備過程。其制作流程以下列圖3。[11]圖3燒結(jié)NdFeB永磁材料制備流程圖2.3燒結(jié)NdFeB稀土永磁材料制備工藝近年來，高性能燒結(jié)NdFeB永磁體制備技術(shù)和設(shè)備有很大改進和革新，主要包含：(1)傳統(tǒng)合金澆注技術(shù)由近快速凝固薄片鑄錠技術(shù)(StripCasting)所取代，(2)改進氣流磨技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械破碎、制粉技術(shù)，使其粉末顆粒尺寸分布更窄。高性能燒結(jié)NdFeB永磁體制備工藝改進主要特點是改變過去單純依賴調(diào)整化學成份來提升磁性能路徑，經(jīng)過控制材料微觀結(jié)構(gòu)來提升其磁性能。薄片鑄錠技術(shù)(StripCasting)實質(zhì)上就是合金鑄錠晶相織構(gòu)控制技術(shù)。[12]合金鑄錠晶相織構(gòu)控制技術(shù)是生產(chǎn)高檔燒結(jié)釹鐵硼磁體技術(shù)關(guān)鍵。日本三德企業(yè)和德國真空冶煉企業(yè)首先發(fā)展了薄片鑄錠技術(shù)，直至現(xiàn)在還是這兩家企業(yè)對此技術(shù)掌握最好。尤其是日本三德企業(yè)，所生產(chǎn)NdFeB母合金薄片產(chǎn)量占國際市場二分之一以上。[13]圖4日本三德企業(yè)SC設(shè)備中旋轉(zhuǎn)Cu合金輥為使燒結(jié)NdFeB永磁體具備優(yōu)良磁性能，其微觀組織結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足3個條件：(1)Nd2Fe14B主相與富Nd相相對量應(yīng)為最好百分比，(2)富Nd相細小、沿晶界彌散分布，(3)不含α-Fe相。薄片鑄錠技術(shù)(簡稱SC工藝)是現(xiàn)在控制合金鑄錠晶相織構(gòu)最有效工藝，其工作原理是將原料中頻感應(yīng)熔化后，澆注過程中使熔液形成薄厚均勻平面流，澆鑄在勻速旋轉(zhuǎn)Cu合金旋轉(zhuǎn)輥上(如圖4)。采取SC工藝制備NdFeB合金微觀組織結(jié)構(gòu)有以下特點：(1)Nd2Fe14B主相為均勻厚度均勻連續(xù)富Nd相層，(3)α-Fe相含量可忽略不計。SC工藝不但僅是制備高檔燒結(jié)NdFeB永磁體關(guān)鍵技術(shù)，用于制備中低級NdFeB永磁體母合金，也可顯著改進材料磁性能和產(chǎn)品性能穩(wěn)定性。最近，三德企業(yè)改進SC工藝，將其應(yīng)用于生產(chǎn)粘結(jié)NdFeB永磁粉(圖5)。和MQI企業(yè)生產(chǎn)粘結(jié)NdFeB用磁粉相比，SC工藝制備粘結(jié)NdFeB永磁粉性能略低，但其生產(chǎn)率大為提升，成本急劇降低。[14]圖5SC母合金制備工藝和MQI粘結(jié)用磁粉制備工藝比較我國對合金鑄錠晶相織構(gòu)控制技術(shù)極為重視，自2000年國內(nèi)開始SC工藝和設(shè)備研究和開發(fā)，并取得了顯著進展。部分廠家包含安泰科技已制造出SC薄片鑄造爐，生產(chǎn)NdFeB薄片鑄錠。同時，寧波韻升和北京三吉利等企業(yè)從日本真空企業(yè)購置SC薄片鑄造爐，并已應(yīng)用于生產(chǎn)。不過，SC工藝是一個系統(tǒng)技術(shù)，所采取是快冷工藝，澆注溫度、澆注流量和冷卻速率對NdFeB薄片微觀結(jié)構(gòu)有很大影響。研究和探索適宜SC工藝過程和參數(shù)，生產(chǎn)出高質(zhì)量NdFeB薄片，是我國磁性材料工作者所需處理首要問題。2.4添加合金元素對燒結(jié)NdFeB稀土永磁材料影響合金元素添加對NdFeB磁體矯頑力和溫度穩(wěn)定性有著主要影響,它通常是作為取代元素或摻雜元素添加。取代元素主要作用是提升主相內(nèi)察特征,但其缺點是生成軟磁性相會降低(BH)m和Br。取代元素有取代Nd和Fe原子兩種。Nd常見取代元素有Dy、Pr、Sm等。摻雜元素與添加元素不一樣,它不取代四方相中一些原子,而是或者以脫溶物形式分布于硬磁性四方相內(nèi)部或在四方相晶粒邊界形成新相以取代原先富Nd相或富B相,達成改進硬磁性晶粒邊界微結(jié)構(gòu)目標,對磁體性能產(chǎn)生重大影響[15]。其中Dy元素是一類慣用添加元素,它能顯著提升燒結(jié)NdFeB永磁體矯頑力。在一定量范圍內(nèi),磁體Hc與Dy添加量成正百分比關(guān)系。燒結(jié)NdFeB稀土永磁材料中Dy含量不一樣，便用不一樣應(yīng)用（如圖6）。[16]圖6不一樣Dy含量釹鐵硼磁體磁性能及其應(yīng)用領(lǐng)域比如Al元素也常加入NdFeB三元合金中,它能顯著提升Hci。其原理是Al起細化晶粒作用,提升了富Nd相與Tl晶粒濕潤性。Cu也是常見添加元素。Cu能細化微結(jié)構(gòu),降低NdFeB共晶溫度,提升富Nd液相與Tl相濕潤性,使富Nd液相沿Tl晶粒均勻分布,提升去交換禍合能力。Ga熔點僅為302.8K,屬于低熔點組元。Ga添加降低富Nd相與Tl相濕潤角,抑制Tl長大,使Tl相界面缺點密度降低,反磁化疇在界面形核困難。同時,隨富Nd相中Ga增加,Ga代替Fe改變了富Nd相結(jié)構(gòu),使Fe、Nd、B原子向主相中擴散,使邊界變得愈加平直、光滑和清楚,但Ga不能過量。Co,Al,Dy等均能能提升合金溫度穩(wěn)定性，而且用部分Nd取代Fe也能改進其耐熱性。[15]2.5燒結(jié)NdFeB稀土永磁材料應(yīng)用燒結(jié)NdFeB永磁體因為具備高剩磁Br、矯頑力和最大磁能積(BH)m,自創(chuàng)造20多年來取得了飛速發(fā)展,己成為當代工業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇狈τ来挪牧?。它已?jīng)成為計算機、網(wǎng)絡(luò)信息通訊、交通、辦公自動化、家電、人體健康與保健等高新技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵功效器件。另外,燒結(jié)欽鐵硼永磁材料在地震檢波器、阿爾法磁譜儀和微型馬達等應(yīng)用發(fā)展較快。近年來以燒結(jié)NdFeB永磁生產(chǎn)永磁電機在電動自行車、電動摩托車、電動三輪車和電動小汽車等上應(yīng)用發(fā)展快速。電子化和數(shù)字化帶來了燒結(jié)NdFeB永磁體廣泛應(yīng)用同時,近年來,降低CO:和廢氣排放等保護地球環(huán)境己成為人們共識,節(jié)電、節(jié)能化己成為非常主要任務(wù)。燒結(jié)NdFeB永磁材料將起著極為主要作用。表2列出了現(xiàn)在燒結(jié)NdFeB磁體主要應(yīng)用領(lǐng)域。[17]表2燒結(jié)NdFeB磁體應(yīng)用領(lǐng)域第3章 粘結(jié)NdFeB稀土永磁材料3.1粘結(jié)NdFeB永磁材料制備和性能特點在依照我們所需性能要求，按照一定百分比將具備一定永磁性能稀土永磁材料粉末、黏結(jié)劑以及另外添加其余添加劑均勻混合，用壓制、擠出或注射成型等方法將其制成產(chǎn)品，即我們所需復(fù)合永磁材料，稱為黏結(jié)永磁材料。其制作流程圖如圖7所表示。[6]圖7粘結(jié)NdFeB永磁材料制備流程圖其制作與燒結(jié)永磁材料、鑄造永磁材料相比，黏結(jié)永磁材料突出優(yōu)點是：加工尺寸較高，不變形，通常無需二次加工；機械強度好，不易掉邊、掉角、破碎；能夠進行機加工；形狀自由度大，可制成復(fù)雜形狀薄型和微型產(chǎn)品；易于生產(chǎn)復(fù)合元件，可將永磁和其余器件進行嵌件成型和復(fù)合一體成型。其不足之處主要是磁性能不像永磁體那樣高，而且它使用溫度較低［18］。黏結(jié)磁體（bondedmagnet）屬于復(fù)合磁體，兼有黏結(jié)劑和永磁材料特征。這類材料多以它所采取黏結(jié)劑或磁性粉末種類而命名，比如金屬黏結(jié)磁體、橡膠磁體、塑形磁體等是以黏結(jié)劑命名；黏結(jié)釹鐵硼、黏結(jié)鋁鎳鈷、黏結(jié)鐵氧體、黏結(jié)稀土鈷等這些是依照磁性粉末種類命名。黏結(jié)磁體性能與磁性粉種類有很大關(guān)系，比如黏結(jié)稀鈷（2:17型）最大磁能積為161kT/m3，而黏結(jié)鋇鐵氧體最大磁能積僅為3kT/m3，不過這類材料價格也相對比較低。黏結(jié)磁體分各項同性和各項異性磁體，其主要區(qū)分是在成型過程中是否對各項異性磁粉施加磁場。3.2粘結(jié)NdFeB永磁材料應(yīng)用現(xiàn)在，永磁實際應(yīng)用中有30%是黏結(jié)磁體，且伴隨其性能逐步提升，應(yīng)用范圍還在不停逐步擴大。黏結(jié)稀土永磁材料主要應(yīng)用于以下幾個領(lǐng)域：音響器械，主要有揚聲器、頭戴耳機、耳塞機、微音器（送話筒）等；旋轉(zhuǎn)儀器裝置，如各種小型發(fā)電機、磁軸承、小型精密電機、定時器轉(zhuǎn)子等；日用具，如玩具、體育用具、門鎖等；元器件，如除油污器、磁性聯(lián)軸節(jié)前面幾章中，分別對局部多孔質(zhì)材料滲透率等。第4章 NdFeB稀土永磁材料薄膜NdFeB薄膜制備方法及磁學性能研究起始于20世紀80年代，90年代后這方面研究逐步增多［2］。人們對NdFeB薄膜研究都是從單層薄膜開始，研究方向主要有濺射功率、濺射氣壓、熱處理等。當NdFeB與其余物質(zhì)交替作用時，薄膜磁性能有較大改進，多層薄膜研究逐步成為了研究熱點［19］。NdFeB薄膜另一主要發(fā)展方向是納米復(fù)合永磁薄膜［20］，其作用機理是將軟磁相與永磁相在納米尺度內(nèi)進行復(fù)合，使其既具備永磁材料高磁晶各項異性，又具備軟磁材料高飽和磁化強度，利用軟磁和硬磁之間交換耦合效應(yīng)，提升薄膜磁性能。結(jié)論今天全球NdFeB磁體產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值超出40億美元(40.427億美元)，其中燒結(jié)磁體35.807億美元，粘結(jié)磁體4.62億美元，二者之比為88.6∶11.4。上世紀40年代到60年代主要商品磁體是鋁鎳鈷（Alnico）；自60年代末以來，永磁鐵氧體成為主要商品磁體；估量年以后NdFeB將成為主要商品磁體[21]。而現(xiàn)在稀土由國務(wù)院稀土辦主管。資源開發(fā)和銷售過程中問題多多，比如破壞性開采、資源浪費、環(huán)境破壞、變相出口、非法走私，但國家正在大力整改。而另一個主要問題是科技水平低下，造成只能出口上游低附加值產(chǎn)品；反過來卻得購置價格高昂下游產(chǎn)品來滿足本國工業(yè)、國防需要。限制出口同時，更應(yīng)該加大研發(fā)。我們能夠經(jīng)過以下幾個方面來促進稀土材料長久可連續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略：（1）強化現(xiàn)行政策執(zhí)行力度。為促進稀土產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，國家已出臺了一系列政策法規(guī)。（2）嚴格實施國家管制制度。稀土資源作為戰(zhàn)略資源，其管理職能不能下放到地方政府，要將全國稀土金屬勘探、開采和出口權(quán)統(tǒng)并管轄，統(tǒng)一歸中央管理。（3）盡快建立國家稀土資源貯備制度。建立稀土資源戰(zhàn)略貯備制度，并不單單是國家拿錢收購稀土建立戰(zhàn)略貯備這么簡單，必須強調(diào)戰(zhàn)略性，要更多地從國家利益與久遠發(fā)展戰(zhàn)略高度謀劃。（4）加緊調(diào)整稀土產(chǎn)業(yè)布局。加緊產(chǎn)業(yè)整合，提升稀土行業(yè)產(chǎn)業(yè)集中度。（5）嚴控稀土資源出口。我國應(yīng)盡快在WTO及國家安全兩種框架下制訂新稀土資源貿(mào)易政策。（6）加大稀土利用技術(shù)創(chuàng)新力度。稀土真正價值在于應(yīng)用。（7）開辟利用外國資源渠道。而且加大稀土主要性宣傳[22]參考文件[1]宗華.定向沉積技術(shù)制備NdFeB系稀土永磁薄膜及其磁學性能研究[D].江蘇大學,.[2]材料合成與制備方法[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社,.[3]王新林,韓曉英.從稀土永磁大國走向稀土永磁強國[J].