（微电子学与固体电子学专业论文）高性能复合粘结永磁材料的研究.pdf

摘要 中文摘要 粘结永磁材料是把永磁磁粉与高分子粘结剂和各种加工助剂相混 合而成的复合永磁材料，按用户需求直接成型为各种形状的永磁部件。 目前粘结磁体的市场需求十分旺盛，经济效益十分看好。粘结磁体之 所以能够如此迅速地占领市场，是基于下述优点：( 1 ) 显著高的性能 价格b e ；( 2 ) 可提供无限多种机械、物理和磁性组合，如可实现直接 成型径向取向永磁体；( 3 ) 可直接成型或加工成形状复杂、薄壁形结 构的磁体，可采用粘贴或压入等方法进行组合，简单易行；( 4 ) 便于 成型后加工，而且可以高精度加工；( 5 ) 具有很高的韧性，不易破损、 开裂：( 6 ) 作为永磁体的性能偏差小；( 7 ) 特别适用于小型化。 这些特点非常适应电子设备向小型、轻量、便携、高可靠性等方 向发展的趋势。目前的粘结磁体主要用于计算机、移动通讯、高级音 像设备、微特电机、传感器及磁电式仪表等工业及消费电子领域。粘 结磁体成型方法有压缩成型法、注射成型法和挤压( 压延) 成型法。 就注射成型而言，虽然该方法成型时所添加的粘结剂的量较大，从而 造成其成型磁体的磁性能较低，但它可以直接大批量生产出各种形状 复杂的磁体，同时由于在注射成型过程中磁粉被熔融的有机粘结剂所 包围，在磁场的作用下容易取向，因而有利于制备高性能的各向异性 磁体，这些特点使注射成型法显示出其独特的优越性。 目前广泛使用的粘结磁体主要包括粘结铁氧体和粘结钕铁硼两大 类。粘结铁氧体材料的磁性能较低，但价格便宜，而粘结稀土永磁材 料虽然具有高的磁性能，但价格昂贵，提高了电子整机的成本。雨且 在粘结永磁的磁性能上，粘结铁氧体与粘结n d f e b 之间存在磁性能断 档。本项目通过优化材料配方和制备工艺，应用注射成型方法制各出 了以下三种粘结磁体：1 ) 制备出了最大磁能积高达2 2 1 m g o e 的粘结 铁氧体，这一结果处于国内领先水平、国际先进水平；2 ) 通过把铁氧 体磁粉与钕铁硼磁粉复合，制备出了低价位、低温度系数、磁性能在 2 4 3 5 m g o e 范围内的新型复合粘结磁体，填补了国内空白；3 ) 采用 国产n d f e b 磁粉，制备出的注射成型粘结钕铁硼磁体的磁性能达到理 论值的9 6 ，这一结果处于国内先进水平。 a b s t r a c t h i g hp e r f b r m a n c eb o n d e dm a g n e t sa r eu s e di nv a r i o u se l e c t r o n i cd e v i c e s ， o f f i c ea u t o m a t i o ne q u i p m e n t ，a u t o m o t i v ec o m p o n e n t s ，h a r dd i s kd r i v e s ， s c a n n e r s ，c d s ，d v d s ，s e n s o r s ，m a g n e t i cb e a r i n g sa n do t h e rm o t o ro r m o t i o nr e l a t e d a p p l i c a t i o n s t h ef o l l o w i n ga r es o m ea d v a n t a g e so f b o n d e dm a g n e t s am a j o ra d v a n t a g ei st h a tb o n d e dm a g n e t sa r em a d eb yn e t - s h a p eo rn e a r n e t s h a p em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s t i g h tt 0 1 e r a n c e sc a nb eh e l dw i t h o u ts e c o n d a r yo rf i n i s hm a c h i n i n gw h i c h s i g n i f i c a n t l y r e d u c e st h ep r o d u c t i o nc o s t a l l o w i n g f o r c o m p e t i t i v e p r i c i n g ab r o a ds e l e c t i o no fp o l y m e rb i n d e r sa n dp o l y m e ra d d i t i v e sg i v e st h e n c x i b i l i t yf b rp r o d u c t i o na n dm e e t st h er e q u i r e m e n t so fv a r i o u s a p p l i c a t i o n s i s o t r o p i cb o n d e dm a g n e t sc a nb ee a s i l ym a g n e t i z e d i n t ov a r i o u sa n d c o m p l e xm a g n e t i s a t i o np a t t e r n s f u l l ya u t o m a t e dp r o d u c t i o np r o c e s s e sl e a dt om o r eu n i f o r mm a g n e t i c p r o p e r t i e sa n dl o w e rc o s t p o l y m e rb o n d e dm a g n e t sc a nb em a n u f a c t u r e db yc o m p r e s s i o nm o u l d i n g ， e x t r u s i o n ， i n j e c t i o nm o u l d i n g o r c a l e n d a r i n gp r o c e s s e s i l l j e c t i o n m o u l d i n gb o n d e dm a g n e t sh a v et h ea d v a n t a g e si nf o r m i n gp t o p e r t i e s ， m a c h i n i n gp r o p e r t i e s ，u n i f b r m i t yo fp r o d u c t s ，a n dc o s t t h e r e f o r e ，t h e i r m a r k e tg r o w sr a p i d l y w h i l ef e r r i t es t i l ld o m i n a t e st h em a r k e t ，b o n d e dr a r ee a r t hm a g n e t sa r e b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n td u et o t h e i r s u p e r i o rm a g n e t i c p r o p e r t i e s 0 ft h ev a r i o u sa b o v e m e n t i o n e db o n d e dm a g n e t s ，t h ef b r r i t e b o n d e dm a g n e t sa r ep r i c e dl o wb u th a v ev e r yl o wm a g n e t i cp r o p e r t i e s w h i l eb o n d e dr a r ee a r t hm a g n e t sa r eh i g h l y p r i c e d w h i l e o f f 色r i n g e x t r e m e l yp o w e r f h lm a g n e t i cs t r e n g t h i t i saf a c t ，h o w e v e r ，t h a tb o n d e dm a g n e t sn e e dt op o s s e s s0 n i ya sm u c h m a g n e t i cs t r e n g t h a sa na p p i i c a t i o nm i g h tr e q u i r ea n dn e e dn o tb e o f e x t r e m e l yp o w e r f b lm a g n e t i cs t r e n g t ha ta i n s t a c e s i t 摘要 i nt h i sp a p e r ，t h r e et y p e so fh i g hp e r f o r m a n c eb o n d e dm a g n e t sh a v eb e e n p r e p a r e d w i t h i n j e c t i o nm o u l d i n gb yo p t i m i z i n g b o n d e d m a g n e t c o m p o s i t i o na n dm a n u f a c t u r ep r o c e s s i n g ：1 ) i n j e c t i o nm o u l d i n gb o n d e d f e r r i t em a g n e t sw h o sm a x i m u me n e r g yp r o d u c t ( b h ) m a xw e r eu pt o2 2 l m g o eh a v eb e e ni n t r o d u c e d ；2 ) t h eh y b r i db o n d e dm a g n e t sw h i c hh a v e t h ec h a r a c t e r i s t i c so fac o m p o s i t em o u l d e dp i e c e sc o m p r i s i n gn d f e b a l l o yp o w d e ra n df e r r i t em a g n e tp o w d e rw e r ep r e p a r e d t h e s eb o n d e d m a g n e t sw h o s e( b h ) m a xw e r e f r o m2 4t o3 5h a v es o m ea d v a n t a g e s s u c ha sl o wc o s t ， l o w t e m p e r a t u r ec o e f n c i e n t ，a d j u s t a b l em a g n e t i c p r o p e r t i e sa n ds oo n ；3 ) i n j e c t i o nm o u l d i n gb o n d e dn d f e bm a g n e t sw h o s m a x i m u me n e r g yp r o d u c t ( b h ) m a xw e r eu pt o5 15m g o eh a v eb e e n i n t r o d u c e db yu s i n gh o m e m a d en d f e ba l l o yp o w d e r i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 粘结永磁体的特点 随着高新技术的发展，人们对电子信息产品的要求越来越高。目前电子信 息整机产品正在向“轻、薄、短、小”的方向发展。这就对用于电子信息行业 的永磁材料提出了更高的要求。与烧结永磁相比，粘结永磁体，特别是高性能 粘结永磁体具有以下优点1 1 卅：( 1 ) 优越的性能，价格比；( 2 ) 可提供无限多种 机械、物理和磁性组合，如可实现直接成型径向取向永磁体：( 3 ) 可直接成型 或加工成形状复杂、薄壁形结构的磁体，可采用粘贴或压入等方法进行组合， 简单易行：( 4 ) 便于成型后加工，而且可以高糟度加工；( 5 ) 具有很高的韧性， 不易破损、开裂；( 6 ) 作为永磁体的性能偏差小；( 7 ) 特别适用于小型化。这 些特点正好满足了电子信息整机“轻、薄、短、小”的发展要求。目前粘结永 磁特别是高性能粘结永磁的产量和产值都在以较快的速度增长，其中粘结稀土 永磁近年来的增长速度更是高达4 0 。粘结永磁材料已广泛应用于计算机、 移动通讯、高级音像设备、微特电机、传感器及磁电式仪器仪表、办公设备、 电子钟表、电子照相机等工业和消费类电子领域。 1 2 粘结永磁体的成型工艺 粘结永磁体一般是指把永磁粉末混入一定比例的高分子粘结剂。按一定的 工艺制成的一种复合材料。按其最终的形态可分为柔性磁体和刚性磁体，按其 生产工艺可分为4 种：压延成型( 又称辊轧成型) 、注射成型、挤压成型和压制 成型。 1 压延成型( c a l e n d e r i n gm o l d i n g ) 。压延成型是出现较早的一种粘结方法， 其工艺过程大致为：将磁粉和粘结剂按一定的比例混合均匀，在柔软状态下通 过两个对轧的轧辊轧制成所需的厚度，然后经过固化处理制成产品。图1 1 示出了该成型方法的设备和工艺原理。所使用的粘结剂通常为丁睛橡胶和乙烯 类树脂，制成的产品是柔性的磁板，厚度为o 3 6m m 。由于生产批量大，设 备简单，对各向异性磁粉采用机械取向，所以不需要象磁场取向那样要经过退 磁和充磁，操作简单，加工温度低，减小了高分子材料的老化和分解，工艺易 于掌握，在我国发展很快。目前，各向同性产品生产线已建成相当大的规模， 第一章绪论 主要是橡塑型的粘结磁体。各向异性产品，生产和科研水平我国与发达国家相 比还有差距。 图l 一1 粘结磁体的压延成型工艺 2 注射成型( i n j e c t i o nm 0 1 d i n g ) 。注射成型是从制造注射塑料制品演变而 来的。首先将磁粉和粘结剂混合均匀，经过混炼和造粒，制成干燥的粒料。然 后把粒料用螺旋式导料杆送到加热室加热，注射进模具成型，冷却后即得产品。 用这种成型方法制成的磁体是刚性的。由于磁体表面已有一层粘结剂薄膜，用 图1 2 粘结磁体的注射成型工艺 该成型方法制备的粘结钕铁硼磁体一般不需进行表面涂层保护。图1 2 示出了 注射成型设备和工艺原理。所用粘结剂一般为热塑性树脂，如液晶聚合物、聚 笨硫醚、聚酰胺、聚脂和p v c 等。虽然该方法成型时所添加的粘结剂的量较大， 从而影响其成型磁体的磁性能，但它可以直接大批量生产出各种形状复杂的磁 2 第一章绪论 体，同时由于在注射成型过程中磁粉被熔融的有机粘结剂所包围，在磁场的作 用下容易取向，因而有利于制备高性能的各向异性磁体，也有利于提高n d f e b 磁体的抗氧化能力，使注射成型法显示出其独特的优越性【5 。i 。日本等发达国家 注射成型磁体产品在其粘结磁体总量中已高达3 0 以上，而且这一比例还在 不断提高。中国的n d f e b 磁性材料的产量已占到世界总产量的4 0 左右，但 高附加值的粘结磁体却只占6 ，而注射成型n d f e b 磁体则几乎为零。 3 挤压成型( e x 廿u s i o nm o l d i n g ) 。其工艺过程和注射成型基本相同，唯一 区别是这种工艺是将加热后的粒料通过一个孔洞挤入模具中成型，所得产品也 是刚性的，所用粘结剂的类型与注射成型相同。图l 一3 示出了挤压成型设备和 工艺原理。挤压工艺适于制造很薄的片状或高度较高的薄壁环状粘结磁体。加 入的粘结剂用量较压延和注射工艺的少，产品主要用于垫圈、小型广告标牌以 及电机中。这种工艺一般用来生产其它粘结工艺较难实现的薄片状或薄壁环状磁体。 图1 3 粘结磁体的挤压成型工艺 4 压制成型( c o m p r e s s i o nm o l d i n 酌。压制成型是借鉴粉末冶金工艺的种 粘结方法，首先将磁粉和粘结剂按比例混合，使得粘结剂均匀地涂覆在每一个 磁粉颗粒表面，经过简单造粒并加入一定量的添加剂，把混合粉放入模具中在 压机上成型，最后将压坯放入烘箱中在一定温度下固化得到最终产品。所用粘 结剂一般是热固性树脂。如环氧类树脂、酚醛类树脂等。图1 4 示出了压制成 型设备和工艺原理。由于加入的粘结剂量少，这种工艺制成的粘结磁体的磁性 能最好，是目前发展最快的一种工艺。特别是钕铁硼永磁材料出现以后，粘结 钕铁硼永磁体几乎全部采用这种工艺，已逐渐形成了产业化。粘结磁体表面需 进行涂层保护，一般采用阴极电泳、喷涂或其它表面防护方法。 第一章绪论 图1 4 粘结磁体的压制成型工艺 1 3 粘结磁体的应用与市场概况 日本是世界上粘结磁体研究和生产水平最高的国家。表l l 示出了2 0 0 3 年日本粘结磁体的产值8 。1 0 】。日本公司2 0 0 3 年在本土生产的粘结磁体的总产值 是2 1 7 亿日元，产量为1 3 9 0 0 吨。2 0 0 3 年日本公司在本土和海外生产的粘结磁 体的总产值是4 1 7 亿日元，约为3 8 亿美元。 表l 一12 0 0 3 年日本粘结磁体的产值( 单位：亿日元) 柔性铁氧体刚性铁氧体粘结稀土永磁合计 日本国内 3 81 0 97 02 1 7 海外生产 2 7 4 31 3 0 2 0 0 合计 6 51 5 22 0 04 1 7 图l 一52 0 0 3 年日本柔性粘结铁氧体磁体的应用市场 苎二主堕笙一 图卜一62 0 0 3 年日本刚性粘结铁氧体磁体的应用市场 图1 72 0 0 3 年日本粘结稀土磁体的应用市场 图1 5 至图1 7 显示了日本生产的粘结磁体的主要应用。柔性粘结铁氧 体的应用范围比较广泛。刚性粘结铁氧体主要应用于磁辊。稀土粘结磁体主要 应用于微特电机的小型马达。 表1 22 0 0 3 年世界粘结磁体的产量和产值( 单位：吨，百万美元) 柔性铁氧体刚性铁氧体粘结稀土磁体粘结磁体总量 产量产值产量产值产量产值产量 产值 日本 6 0 0 0 3 3 7 3 5 0 9 5 5 4 06 01 3 9 0 01 9 0 美国 2 6 0 0 07 83 7 5 04 52 8 02 53 0 0 3 01 4 8 欧洲 4 1 0 0 01 0 2 1 3 0 01 7 3 3 33 34 2 6 0 01 5 0 亚洲 1 2 2 0 03 76 7 0 05 49 5 09 51 9 5 8 01 8 6 中国 3 0 0 0 0 6 3 5 0 0 0 3 2 1 5 5 0 9 3 3 6 5 5 01 8 8 其它 9 8 0 02 99 0 01 l3 5 03 2 1 0 8 5 0 7 1 合计 1 2 4 8 0 03 4 22 5 0 0 02 5 44 0 0 03 3 81 5 3 8 0 09 3 5 第一章绪论 表1 2 示出了2 0 0 3 年全球粘结磁体的产量与产值。2 0 0 3 年世界粘结磁体 的总产量为1 5 3 8 0 0 吨，总产值为9 3 5 亿美元。其中柔性粘结铁氧体产量为 1 2 4 8 0 0 吨，产值为3 4 亿美元。柔性粘结铁氧体在欧洲主要应用于消音壁。在 美国主要用于广告牌。刚性粘结铁氧体的产量为2 5 0 0 0 吨，产值为2 s 5 亿美元。 剐性粘结铁氧体在日本主要应用于复印机和打印机的磁辊。在东南亚主要应用 于电机马达。粘结稀土磁体的产量为4 0 0 0 吨，产值为3 。4 亿美元。主要应用于 个人电脑和办公自动化。图1 8 到l 一1 1 展示了一些国家和地区粘结磁体所占 的份额。 图l 一82 0 0 3 年全球主要粘结磁体生产国家和地区的市场份额 图l 一92 0 0 3 年全球主要国家和地区柔性粘结铁氧体的市场份额 第一章绪论 图1 一1 02 0 0 3 年全球主要国家和地区柔性粘结铁氧体的市场份额 图l l l2 0 0 3 年全球主要国家和地区稀土粘结磁体的市场份额 在粘结磁体的生产过程中，其中又以稀土钕铁硼粘结磁体的发展速度最快。 在过去的十年中以平均每年1 8 的速度增长。特别是1 9 9 5 年到2 0 0 0 年，其年 平均增长率超过2 2 。今后几年要维持这么高的增长率是不可能的。但随着信 息产业和汽车工业的发展，今后几年保持1 5 左右的年平均增长率则完全有可 能。图l 1 2 显示了从1 9 9 4 年到2 0 0 3 年用于稀土钕铁硼粘结磁体的各向同性 n d f e b 磁粉销售情况以及2 0 0 8 年的预测。2 0 0 3 年n d f e b 磁粉销售量大约为 3 6 0 0 吨。虽然在过去的十年中秸结钕铁硼磁体的产量持续增长，但整个工业产 值并没有随着增加。由于各生产厂家之间的激烈竞争，单位磁体的价格持续下 降，导致整个工业产值下降。表l 一3 比较了1 9 9 9 年和2 0 0 3 年粘结钕铁硼的各 个相应的指标。 第一章绪论 0 1 9 9 41 9 9 51 9 1 9 9 71 9 9 81 92 0 2 0 0 12 0 0 2 2 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 2 0 a 7 y e a r 图1 1 21 9 9 4 2 0 0 3 年各向同性n d f e b 磁粉的全球销售情况及远景预测 表1 31 9 9 9 年与2 0 0 3 年世界粘结钕铁硼的市场变化 1 9 9 9 年 2 0 0 3 年 粘结钕铁硼磁粉产量( 吨) 2 5 0 0 3 6 0 0 粘结钕铁硼磁体产量( 吨) 2 4 0 03 5 2 5 磁体个数( 百万个) 8 5 01 9 0 0 总销售额( 百万美元) 1 6 01 4 4 单位磁体平均重量( 克) 2 8 1 7 单位磁体平均价格( 美元) 0 2 o 1 2 每千克磁体平均价格( 美元) 6 64 0 图1 1 3 展示了2 0 0 2 年粘结钕铁硼市场应用情况。在过去几年中，计算机 外围设备是粘结钕铁硼磁体的最大用户，其所占的市场份额达4 7 。其它主要 应用包括办公自动化( 打印机、复印机、扫描仪) ，汽车，计算机游戏控制器， 电视机顶盒，消费类电子。另一类主要应用是摄像机和数码相机和传统照相机 的步进马达。最后一类主要应用是电机，空调，小电器，压缩机，缝纫设备， 以及其它各种应用。如随身听，钟表中的马达等。 啪 咖 啪 啪 咖 5 4 3 2 1 j9可；oci芑co卜 第一章绪论 图l 1 32 0 0 2 年全球粘结钕铁硼的市场应用 图l 一1 4 对粘结钕铁硼在计算机外围设备中的市场应用进行了进一步细 分，估计约有1 4 5 0 吨粘结钕铁硼磁体用于电机，其中主要用于硬盘驱动器 ( h d d ) 、c d r o m 、d v d r o m 、掌上电脑f d d 驱动器的步进电机，h d d 步进电机是粘结钕铁硼磁体的最大单个用户。 除个人电脑应用外，近年来增长最快的两个粘结钕铁硼应用市场是游戏控 制器和电视机顶盒。这两个市场现在占了整个粘结钕铁硼市场的1 2 ，大约用 去4 0 0 吨粘结钕铁硼材料。大多数的电脑游戏控制器例如微软x b o x 等都配有 h d d 和光驱，而电视机顶盒一般则配有两个h d d ，主要用于从英特网或有线 电视提供商那里下载资料。这些应用理论上包含在消费类电子中。但由于其较 大的市场规模和快速发展而被细分。 图1 一1 4 2 0 0 2 年全球粘结n d f e b 磁体在计算机外围设备上的应用 9 第一章绪论 1 4 本课题实施的意义 在粘结磁体的生产中，注射成型虽然起步较晚，但由于其独特的优势而快 速发展。虽然该方法成型的主要缺点是由于添加的粘结剂量较大，造成其成型 磁体的磁性能较低。但与其它成型方法相比。该成型方法有以下优点1 ”： 形状自由度大：能够很容易地制成复杂的形状( 入齿轮、螺杆、小孔、 台阶等) ，还可制成细长、极薄等各种形状： 尺寸精度高：不需二次加工，就能满足各种用途的使用要求： 磁性能在一定范围内可随意调整； 产品一致性好：工艺过程各参数容易精确控制，故磁性能及尺寸一致性 均好； 可复合成型：通过与镶件整体成型，减少零件数量，简化组装工序； 取向的自由度大：可制成具有轴向或径向和集二者为一体的各向异性产 品，并可多极充磁； 机械强度高：与烧结及铸造永磁体相比，不易产生破碎、捧角、掉边等 问题，可以减少生产、搬运、组装时的废品； 耐腐蚀性好：用快淬n d f e b 粉制成的注射成型粘结永磁体无需表面涂 层，就可以满足各种环境下的使用要求。 正是基于以上优点，使注射成型方法显示出其独特的优越性。目前注射成 型粘结磁体已得到广泛应用。日本等发达国家注射成型磁体产品在其粘结磁体 总量中已高达3 0 以上，而且这一比例还在不断提高。中国的n d f e b 磁性材料 的产量已占到世界总产量的4 0 左右，2 0 0 3 年稀土粘结磁体占全球市场的2 8 ，但高附加值的粘结磁体却只占6 ，而注射成型粘结n d f e b 磁体则几乎为 零。 另外，从上面的分析中可以看出，目前主要生产和应用的粘结永磁体主要 是粘结铁氧体永磁和粘结n d f e b 永磁两大类。粘结永磁铁氧体材料的磁性能较 低，但价格便宜，而粘结稀土永磁材料虽然具有高的磁性能，但价格昂贵，提 高了电子整机的成本。而且在粘结永磁的磁性能上，粘结铁氧体永磁与粘结 n d f e b 之间存在磁性能断档。以最大磁能积为例，粘结铁氧体永磁( b h ) m a x 在o 和2 3 m g 0 e 之间，粘结n d f e b 约为5 o 1 2 m g o e ，而磁能积处于2 3 5 o m g o e 之间的粘结磁体基本上还是一片空白。目前市场上对广泛应用于微特 电机等领域的磁能积在2 3 3 0 m g o e 之间、成本低廉的粘结磁体的需求最为 旺盛。 正是基于以上原因，从我们研究进一步提高粘结铁氧体永磁的性能出发， l o 第一章绪论 利用铁氧体永磁和n d f e b 永磁相结合的复合粘结技术，运用注射成型工艺，从 提高磁粉的饱和磁化强度、粉末颗粒形状、粒度及其分布、磁体的密度和取向 度等磁学性能以及力学性能、使用温度、抗老化和成型加工性能等使用性能入 手，综合运用复合材料设计理论、磁学理论和高分子材料成型加工理论，从理 论和实验两个方面进行研究。最终开发生产出低价位、低温度系数、磁能积在 2 3 3 。0 m g 0 e 范围的新型复合粘结磁体，弥补粘结铁氧体永磁和粘结n d f e b 永磁之间磁性能的断档，大大拓宽粘结磁体的应用领域。并研究只含单一n d f e b 磁粉的注射成型粘结n d f e b 磁体。从而探索出一整套与注射成型粘结铁氧体磁 体、注射成型铁氧体n d f e b 复合磁体以及注射成型n d f e b 磁体相关的配方和 生产工艺。 第二章粘绪磷件的性能及测试 第二章粘结磁体的性能及测试 2 1 粘结磁体的磁性能 粘结永磁体的磁性能指标与烧结或铸造永磁体的磁性能指标一样，有最大 磁能积( ( b h ) m “) ( m “i m m e n e r g yp r o d u c t ) 、剩余磁感应强度( b r ) ( r e s i d u a l i n d u c t i o n ) 、磁感应强度矫顽力( h c b ) ( c o e r c i v i t y ) 、内禀矫顽力( h c i ) ( i m r i n s i c c o e r c i v h y ) 、回复磁导率( pr e c ) ( r e c o i lp e m l e a b i l i t y ) 、剩磁温度系数( d ) ( t e m p e r a t u r ec o e 艏c i e n to fb r ) 和内禀矫顽力温度系数( b ) ( t e m p e r g “l r e c o e 髓c i e n to fh c ) 等磁性能参数。 1 、退磁曲线。是指粘结永磁体的饱和磁滞回线的第二象限部分，如图2 一 l 所示。也就是被b r ( 或j r ) 和h 曲( 或h c j ) 限定的区域。 一h hhqh h n 圈2 1 退磁曲线和回复线 2 、最大磁能积( ( b h ) m “) 。退磁曲线上磁感应强度b 与对应的磁场强 度h 的乘积最大值。( b h ) m a c 的坐标在退磁曲线上用( b d h d ) 表示。在 s i 单位制中，其单位为k j ，m 3 。在c g s 单位制中，其单位为m g o e 。 s i 单位制中，其单位为k j ，m 3 。在c g s 单位制中，其单位为m g o e 。 第二章粘结磁体的性能及测试 第二章粘结磁体的性能及测试 2 。1 粘结磁体的磁性能 粘结永磁体的磁性能指标与烧结或铸造永磁体的磁性能指标一样，有最大 磁能积( ( b h ) m 戡) ( m a x i m me n e r g yp r o d u c t ) 、剩余磁感应强度( b r ) ( f e s i “a l i n d u c t i o n ) 、磁感应强度矫顽力( h c b ) ( c o e r c i v i t y ) 、内禀矫顽力( h c j ) ( i n t r i n s i c c o e r c i v i t y ) 、回复磁导率( ur e c ) ( r e c o i lp e m e a b i l i t y ) 、剩磁温度系数( ) ( t e m p e r a t l l r ec o e 施c i e n to fb r ) 和内禀矫顽力温度系数( b ) ( t e m d e r a t l l r e c o e f f i c i e n to f h c j ) 等磁性能参数。 l 、退磁曲线。是指粘结永磁体的饱和磁滞回线的第二象限部分，如图2 一 l 所示。也就是被b r ( 或j r ) 和h c b ( 或h c j ) 限定的区域。 一xhhu h h n 图2 一l 退磁曲线和回复线 2 、最大磁能积( ( b h ) m a ) 【) 。退磁曲线上磁感应强度b 与对应的磁场强 度h 的乘积最大值。( b h ) m a x 的坐标在退磁曲线上用( b d ，h d ) 表示。在 s i 单位制中，其单位为k j m 3 。在c g s 单位制中，其单位为m g 0 e 。 第二章粘结磁体的性能及测试 3 、剩余磁感应强度( b r ) 。在退磁曲线上当磁场强度为零时对应的剩余磁 感应强度值。在s i 单位制中，其单位为t 。在c g s 单位制中，其单位为g 。 4 、磁感应强度矫顽力( h c b ) 。在退磁曲线上磁感应强度为零时对应的磁 场强度值。在s i 单位制中，其单位为k a ，m 。在c g s 单位制中，其单位为o e 。 5 、内禀矫顽力( h c j ) 。在退磁曲线上磁化强度( j ) 为零时对应的磁场强 度值。在s i 单位制中，其单位为k m 。在c g s 单位制中，其单位为0 e 。 6 、回复线和回复磁导率( ur e c ) 。回复线是指退磁曲线上某点在回复状态 时的局部磁滞回线。如图所示，回复磁导率定义为： 1 曲 如c2 瓦面 式中胁= 4 兀1 0 7 h ，m ；口表示回复线两个端点的磁感应强度之差，单位为t ； 埘表示回复线两个端点的磁场强度之差，单位为a m 。 7 、剩磁温度系数( n ) 。当温度在某一范围内变化时剩余磁感应强度发生 可逆变化的改变值与温度变化的比值，单位为。可表示为如下形式：式中 t o 表示室温，在i e c 标准中，瓦= 2 3 5 。 。 l 西( d 一西( 矗) 跏( 兀)r 一瓦 8 、内禀矫顽力温度系数( a ) 。当温度在某一范围内变化时内裒矫顽力发 生可逆变化的改变值与温度变化的比值，单位为。可表示为如下形式： 。 l 埘( n 一地f ( 瓦) 三蟛( 瓦)r 一瓦 永磁磁性能参数的测量由电磁铁产生磁化场，测量在电磁铁和样品组成的 闭合磁路中进行。图2 2 是该测量的电磁铁示意图。磁轭的结构应是对称的， 为了使样品和极靴之间的气隙减至最小，至少有一个极头能够移动。两个极靴 图2 2 电磁铁示意图 第二章粘结磁体的性能及攫i 试 的端面应尽可能彼此平行，并且尽可能接近垂直于极头的轴线，以使气隙减至 最小。为了减小涡流效应，磁轭和极头可以制成叠片式。材料的矫顽力，一般 不应大于1 0 0 v m 。 为了在样品所占的空间得到足够均匀的磁化场，应同时满足以下两个条件： 几何条件：矾d ：+ 1 甜；杰2 o f l 。其中函是圆形极靴的直径或矩形极 靴的最短边长，单位m ；z j 是极靴间的距离，单位m ；也是具有均匀磁场的圆 柱体的最大直径，单位m 。对于在气隙中心的磁场强度，前一个公式确保在以2 的径向距离处，最大磁场的减小是1 ，后一个公式确保沿电磁铁的轴线，在 极面处最大磁场增加是l 。 电磁条件：在测量退磁曲线的过程中，应保持极靴中的磁通密度比饱和磁 极化强度足够低，以使极面尽可能是等位的。磁轭用磁化线圈励磁，磁化线圈 要尽可能靠近测试样品，对称排列。样品的轴线应与磁化线圈的轴线一致。测 量前，样品应在磁场h m a ) 【中磁化( h m a ) ( 约为样品内禀矫顽力的3 5 倍) ，使 样品接近饱和。然后在所施加的与起始磁化方向相反的磁场中，测定退磁曲线。 如果在磁轭中不能使样品磁化接近饱和，样品应先在电磁铁以外的超导线圈或 脉冲磁场中磁化。 测试样品一般为圆柱体或平行六面体。样品的长度不应小于5 m m ，它的其 它尺寸最小值应为5 衄。样品的端面应尽可能平行并垂直于样品的轴线，以减 小气隙。样品的横截面积，在样品的整个长度上应尽可能均匀，其变化应小于 样品的最小截面积的1 。平均截面积的测定误差小于1 。样品应标明磁化方 向。测量应在环境温度为2 3 士5 下进行。 通过测量样品的退磁曲线暨b h 曲线或j h 曲线来确定样品的主要磁性 能参数。如果样品在电磁铁中磁化饱和，测量时把用于测量b 或j 的探测线圈 器件连接到已经调整到零位的校准的磁通积分器上，将样品插入探测线圈并装 进电磁铁，磁化至饱和。然后将磁化电流减小到非常低的水平( 直至零) ，或者 必要时再反向，以得到零磁场强度。记录下磁通密度或磁极化强度的对应值。 增大反向磁化电流，直到磁场强度经过矫顽力h c b 或h c j 。磁场强度的变化速 度应该足够慢以避免在h 和b 之间产生相位差或在样品中产生涡流。由连接 到磁场强度测量器和磁通积分器输出端上的记录仪描出的连续曲线，或者由磁 场强度和磁通密度或磁极化强度的逐点测量得到退磁曲线上h 和b 或j 的对 应值。 样品的剩磁b r 通过退磁曲线与b 轴的截距求出；样品的矫顽力h c b 通过 退磁曲线与b = 0 直线的截距给出，内禀矫顽力h c j 通过退磁曲线与j = o 直线 的截距给出；样品的最大磁能积( b h ) m a x 是退磁曲线上b 和h 乘积的最大 值。可通过以下方法求出：a ) 通过直接读数计算或由b h = 常数的曲线族的内 1 4 第二章粘结磁体的性能及畏i 试 插法求得；b ) 计算退磁曲线上一些点的b h 乘积，并确保覆盖了最大值：c ) 用电子仪器作b 和h 相乘的计算，并绘制该乘积作为h 或b 函数的曲线。 2 2 粘结磁体的力学性能 注射成型粘结永磁体的力学性能是粘结磁体的一项重要性能指标。其主要 指标有抗拉强度( t e n s i l es 仃e n g t l l ) 、弯曲强度( n e x l l r a ls t r e n g t l l ) 、悬臂梁冲击 强度( i z o di m p a c ts t f e n g t h ) 、硬度( h a r d n e s s ) 等。粘结磁体的力学性能测试 一般都采用塑料工业的测试方法。国际上通常采用美国材料试验协会( a m e r i c a n s o c i e t yo f t c s t i n gm a t e r i a l s ，a s t m ) 测试标准，下面一一介绍。 1 、抗拉强度( t e n s i l es t r e n g t h ) 。抗拉强度是度量材料能承受把它拉断的拉 力的大小。a s t md 6 3 8 标准规定了塑料抗拉强度的测量方法20 1 。在一台匀速 运动的拉力试验机上，有一个固定的元件，上面装有一个夹头；另有一个可移 动的元件，上面装有一个夹头。为了保证两个夹头对中，一般在固定元件和可 动元件之间用自动校直夹头夹持样品。同时，试验机还采用了一种速度可调的 驱动机构。 通常采用注射成型或压缩成型方法制各测试样品。图2 3 示出了a s t m d 6 3 8 i 型拉伸测试样品。表2 1 为其尺寸及公差。由于一些塑料样品的抗拉 性能会随着温度的微小变化而发生很大的变化，因此建议在标准试验条件下( 温 度为2 3 士2 ，相对湿度为5 0 士5 ) 测试 图2 3 拉伸测试试样( i 型) 测试时，测试的速率为夹头或夹具移动的相对速率。最常采用的测试速率 是5 0 8 舢川h i n 。样品垂直置于试验机的夹头中，调节好测试速率，试验的伸长 被连续记录直到断裂为止，记下断裂时的负载值。抗拉强度由以下公式算出： 第二章粘缩磁体的性能及测试 抗拉强度= 礴捻 表2 1 拉伸样品( i 型) 尺寸及公差 符号韶耘尺寸m公蘸# 哪符号名称 足 一 公莽栅 正磬鲢( 艟小)1 s o渺 嗡蕊篮崖 2 0 士o 2 l 爽抖 蛳脚誓1 1 5+ 5 od厚斑 4 c中_ n 半 j 弗努托厦s 0 士o s寺巾闻平 f 部分党瘦 1 0 士o 2 g o酥黟( 或柑技蕾1 分o 5r半径最小) 样品的制各方法、样品的尺寸、拉伸速率和环境温度对抗拉强度测试结果 有重要影响。 2 、弯曲强度( n e x u 豫ls t r e n g t l l ) 。弯曲强度是指材料承受垂直作用于其纵 轴上的作用力的能力。a s t md 7 9 0 标准规定了塑料弯曲强度的测量方法【2 1 1 。 弯凿负载所产生的应力是压缩应力与拉伸应力的组合，其作用情况如图2 4 所示。材料的弯曲性能根据样品外表面上产生的最大应力和应变来确定。 图2 4 弯曲强度测试时样品的受力情况 测量塑料的弯曲强度有两种基本方法。第一种方法是三点负载体系，即在 一个简单的支梁上施加一个中心负载，一个横截面为矩形的棒放置在两个支撑 点上，利用位于支撑点中间的压头来加载。第二种方法是四点负载体系，即有 两个负载点，每个负载点离与其邻近的支撑点的距离与另一个相等。两个负载 点之间的距离是跨距的1 ，3 。样品放置在两个支架上并在两个点上加载，每个 压头都与其邻近支撑点距离相等。以上某一种方法又有两种操作程序。程序a 主要适用于在较小的形变下就断裂的材料；程序b 特别适用于在测试中能经受 较大形变的材料。两种程序的主要差别是应变速率不同。程序a 的应变速率为 1 6 第二章粘结磁体的性能及测试 o 2 5 4 m m m m m i n ：程序b 的应变速率为2 5 4 m i i l m m m i n 。弯曲强度测试样品 一般为矩形截面的棒，最常用的样品尺寸为0 3 1 7 5 c m 1 2 7 c m x1 0 1 6 c m 。当 用四点弯曲法时，样品的最大纤维应力与负载和样品尺寸的关系为： s ：婴 2 耐1 式中s 为应力：p 为负载；l 为跨距长度；b 为样品宽度；d 为样品厚度。样品 的弯曲强度等于样品断裂瞬间能承受的最大应力。 注射成型的样品一般比压缩成型韵弯曲强度高。当测试温度升高时，弯曲 强度明显下降。另外。测试速度、样品厚度和支撑点间的距离决定的应变速率 都对测试结果有影响。 3 、悬臂梁冲击强度( i z 0 di m p a c ts 仃曲g t l l ) 。悬臂梁冲击强度试验的目的 是测试标准试样对摆锤型冲击负荷的相对敏感性。以打断试样所消耗的摆锤动 能来表示其抗冲击结果。a s t md 9 5 0 标准规定了塑料悬臂梁冲击强度的测量方 法【2 2 l 。在塑料样品中测试时所用的试样一般都带有缺口。其原因是提供一个促 进发生脆性破坏而不发生延性破坏的应力集中区。但由于粘结磁体的磁粉含量 一般较高，所以在测试时通常不开缺口。 试样尺寸为1 2 7 m m 1 2 7 n l i i l 3 1 7 5 m m 注射成型试样的悬臂梁冲击强度 比压缩成型的高。随着温度的增加，悬臂梁冲击强度也增加。 4 、硬度( h a r d l l e 踌) 。硬度是指材料对形变。特别是永久形变、压痕或刻 痰的抵抗能力。最普遍应用的塑料硬度试验有两种：洛氏硬度试验和硬度计示 试验。a s l md 7 8 5 标准规定了塑料洛氏硬度( r ( c k 、e nh a r d n e s s ) 的测量方法 2 3 】：把作用在压头上的负荷从一固定的较小值增加到一较大值，然后又返回 到较小负荷，测定压痕深度的净增加。洛氏硬度有r 、l 、m 、e 和k 标度之分。 在每一标度下，数值越高，材料越硬。 试样的硬度受温度和湿度的影响。试样在较高温度下测试时，其硬度值较 低。试样的表面加工情况对硬度测试结果也有很大的影响。光滑的试样表面得 到的硬度值高。 2 3 粘结磁体的其它性能 l 、熔体流动速率( m e l tf l o wr a t e ，m f r ) 。熔体流动速率是表征注射成型 粘结磁体加工性能的一项重要参数。指在规定的温度和压力条件下，熔体从一 个规定长度和直径的小孔中挤出的速率。a s t md 1 2 3 8 标准规定了塑料熔体流 动速率的测量方法口4 1