纳米晶稀土永磁材料的研究

1、纳米晶稀土永磁材料的研究上海大学2013年10月10日Shanghai University几个概念几个概念矫顽力：矫顽力：使磁化至技术饱和的永磁体的B（磁感应强度）降低至零所需要的反向磁场强度称为磁感矫顽力。（如图当H 减小至零时，M不减小到零,而等于剩余磁化强度Mr。为使M减至零,需加一反向磁场，称为矫顽力。）剩磁：剩磁：剩余磁化强度（retentivity）的简称，永磁体经磁化至技术饱和，并去掉外磁场后所保留的表面场Br, 称为剩余磁感感应强度。Shanghai University磁能积：磁能积：退磁曲线上任何一点的B和H的乘积即BH我们称为磁能积，而BH的最大值称之为最大磁能积，B

2、是磁感应强度，单位T 特斯拉，H 是磁场强度，单位 A/m。材料磁能积越高，在单位体积内产生的磁场就越大，那么在达到某一磁场强度时所需的磁铁体积就更小。硬磁，软磁材料：硬磁，软磁材料：磁性材料按照磁化后去磁的难易程度，可分为软磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁材料，不容易去磁的物质叫硬磁材料。一般来讲软磁性材料剩磁较小，硬磁性材料剩磁较大。Shanghai University1.纳米晶稀土永磁材料的概念纳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)是又称“硬磁材料”，一经磁化即能保持恒定磁性的材料。具

3、有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁，一经磁化即能保持恒定磁性的材料。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。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属和过渡族金属形成的合金经一定的工艺制成的永磁材料。主要是稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料。前者是稀土前者是稀土元素铈、镨、元素铈、镨、镧、钕等和镧、钕等和钴形成的金钴形成的金属间化合物。属间化合物。优点优点1.磁能积很高2.磁性温度系数低3.磁性稳定4.矫顽力高Shanghai University 钕铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料。钕铁硼

4、永磁材料是第三代稀土永磁材料。优点是：其剩磁、矫顽力和最大磁能积比前者高，不易碎，有较好的机械性能，合金密度低，有利于磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化缺点是：其磁性温度系数较高，限制了它的应用。Shanghai University1.31.3纳米晶稀土永磁材料纳米晶稀土永磁材料 纳米晶稀土永磁材料是由软磁相和硬磁相在纳米尺度内复合组成的永磁材料，通过矫顽力低的软磁相与矫顽力高的硬磁相之间的交换相互作用而实现磁藕合，获得较高的磁性能。其优点是1.高剩磁2.高磁能积3.相对高的矫顽力4.低的稀土含量5.较好的化学稳定性 因此其是一种有广泛应用前景的廉价稀土永磁材料。同时随着晶粒尺寸的减小

5、，比表面积增大，晶间交换藕合作用显著增强。Shanghai University2.2.纳米晶复合永磁材料的制备工艺及性能纳米晶复合永磁材料的制备工艺及性能2.12.1目前生产纳米晶稀土系磁粉的几种制备工艺目前生产纳米晶稀土系磁粉的几种制备工艺 目前生产纳米晶稀土系磁粉的制备工艺主要有：1.熔体快淬法， 2.机械合金化法， 3.氢化歧化脱氢再结合法(HDDR) 。 然后可以通过烧结、粘结、热压等方法制成磁体。其中熔体快淬法已比较成熟，广泛应用于工业生产；而机械合金化法和HDDR法还处在实验室研究阶段。 Shanghai University2.22.2熔体快淬法熔体快淬法 熔体快淬法通常是利用

6、单辊真空熔体快淬设备冶炼母合金，然后真空快淬得到鳞片状薄带，其晶粒大小一般30nm左右，经粉碎和适当热处理得到细小的稀土合金磁粉末。用快淬法制备的磁粉磁性能均是各向同性。熔体快淬就是在真空状熔体快淬就是在真空状态下，将熔融的金属或态下，将熔融的金属或合金在一定的压力下，合金在一定的压力下，注射到高速旋转的水冷注射到高速旋转的水冷铜辊上，使其在极大的铜辊上，使其在极大的过泠度下凝固，获得具过泠度下凝固，获得具有超细结构的非平衡组有超细结构的非平衡组织，织，Shanghai University缺点：采用熔体快淬法制备的纳米复合永磁材料，由于快淬薄带冷却速度不均导致了材料晶粒尺寸差别较大，进而影响

7、了晶粒间的藕合作用，使磁性能不太理想，最高磁能积较小。实验成果：Liu 和 Davies将水冷轮转速控制在22m /s ，Nd9(Fe1-xCo)84CaB6直接进行快淬，得到的薄带基本为非晶态，并在600 800温度下等温退火4min。结果发现，当退火温度为720时，纳米晶复合磁体的剩磁和矫顽力同时获得最大值。Shanghai University2.32.3机械合金化法机械合金化法定义：定义：直接用组成合金的各组元粉末做原材料在高能球磨机中球磨，在高能球磨的条件下，利用金属粉末混合物的重复发生变形、断裂、焊合、原子间相互扩散或进行固态反应而形成合金粉末。 快淬法和HDDR法有一个共同之处，

8、就是均为先用真空感应熔炼炉把合金熔化。感应熔炼法的缺点在于合金成份不能连续可调和精确控制，并且在合金的制备中，受各组元物理化学性质的影响很大。相较于另两种方法机械合金法则避免了这个过程，因此具有很多优势。特点Shanghai University 用此种方法可使矫顽力可达到很高的水平，如果能进一步改善剩磁性能，则其磁能积将会有很大的提高。Shanghai University2.4HDDR2.4HDDR法法 HDDRHDDR法法(Hydrogenation-Decomposition-Desorption-Recombination)是用真空感应熔炼法制备合金铸锭，将铸锭在氢气保护下均匀化处理

9、后破碎成粉末，把粉末放入真空热处理炉内进行氢化、歧化、脱氢、重组处理，然后快速冷却至室温而得到各向异性磁粉，所以用这种方法可以制得高矫顽力的各项异性磁体。 由于其反应在800左右的高温下才能进行，一般得到的是亚微细晶组织材料，因此很难获得纳米晶组织，这一点从纳米双相藕合理论上来说，严重影响了材料硬磁相与软磁相之间的藕合作用，很难获得高性能的复合磁体。缺点Shanghai University 综合机械合金化法和HDDR法各自的特点，研究者正尝试用机械球磨与HDDR法相结合制备纳米晶复合永磁材料，可能制备出综合性能好的复合永磁材料。Shanghai University3.3.添加元素对纳米复合永磁材料性能的影响添加元素对纳米复合永磁材料性能的影响 添加元素对于Nd2Fe14B/-Fe系和Pr2Fe14B/-Fe系纳米复合永磁材料磁性能的提高有很大作用。对于这两个系列的永磁材料，若添加少