中国有色金属学报12(6),1234-1237(2002).pdf

第 1 2卷第 6期 Vo l J 1 2 NO 6 中 国 有 色 金 属 学 报 Th e Ch i n e s e J o u r n a l o f No n f e r r o u s M e t a l s 2 0 0 2年 1 2月 De c 2 0 02 文章编号 1 0 0 4 0 6 0 9 2 0 0 2 0 6 1 2 3 4 0 4 纳 米 双 相 Nd 2 F e 4 B a F e磁 体 的微 结 构 和 交换 耦 合 作 用 杨 森 李 山东 刘先松 谢 国治 田宗军 彭 坤 宋晓平 都 有为 1 西安 交通 大学 理 学 院材 料物理 系 西 安 7 1 0 0 4 9 2 南京 大学 物 理 系 南京 2 1 0 0 9 3 摘 要 用熔体快淬法制备了高性能纳米双相耦合 N d F e B a F e 磁体 研究了快淬速率对其微结构和交换耦 合 作用 的影 响 实验 结 果表 明 控 制 快淬 速率 在 1 2 m s时 可 直接得 到显 微组 织 均匀 a F e 相 粒 子细 小且 均匀 分 布 的纳 米 双相 耦合 N d z F e B a F e 磁 体 低温 退 火消 除 由快 速凝 固带 来 的成 分 不 均匀 性 后 强烈 的铁 磁 交换 耦 合 作 用导 致 其最 高磁 性 能 为 H 一4 3 2 2 k A m J 一 1 0 8 T BH 一1 1 5 k J m 快 淬 速率 提 高 非 晶相 体积 分 数 增 加 在高 温 晶化 热处 理 时软 硬磁 相 析 出不 均匀 个 别 a F e相粒 子 奇异 长大 尺寸 达 到 1 0 0 a m左 右 这 不利 于 软 硬磁 相 间 的交 换耦 合作 用 有 损磁 性 能 关键词 纳米复合磁体 交换耦合作用 微结构 矫顽力 中图分 类号 T G1 4 6 T M 2 7 7 文献标识码 A 纳 米 晶 双 相 永 磁 合 金 是 近 年 来 稀 土 永 磁 材 料 领域研究 热点 这类 合金是利用 硬磁相 高磁 晶各 向 异性 和软 磁相高饱和磁 化强度 的优点 通过 纳米尺 度 下 两 相 晶 粒 间 的铁 磁 交换 耦 合 作 用 来 获 得 优 异 的 磁 性 能 1 q 理 论 预 期 其 体 积 电 磁 能 为 1 MJ m 远高 于非 纳 米 Nd F e B磁 体 的体 积 电磁 能口 实验 上 通 过 各 种 材 料 制 备 方 法 对 R F e B F e B 4 R2 Fe 1 4 B Fe R Nd Pr 5 3 S m2 Fe 1 7 N Fe E 引 S m C o F e Fe 7 等 纳 米 双 相 永 磁 体 系 进 行 了 深 入地研究 但 目前 实验 室制 备该 种磁体 的最 高磁 性能与 其理论值相差甚 远 9 实 际纳米 双相永 磁体 的性 能 与 理论 值 相 差 太 大 的 原 因之 一 是 没 有 满 足 理 想模 型条 件 F i s c h e r计算表 明D o 软磁相 晶粒 尺寸 为 1 0 a m 硬 磁 相 晶 粒 尺 寸 为 2 0 a m 且 两 相 均 匀 分 布 时 才能产生强烈 的铁磁 性耦 合 所 以获得 高磁 性 能 纳米 双 相 磁 体 的 关 键 是 控 制 晶 粒 尺 寸 对 于 Nd F e B a F e纳 米 双 相 磁 体 来 说 通 常 用 熔 体 快 淬 法 得 到 非 晶 然 后 经适 当 退 火 处 理 得 到 纳 米 双 相 结构 但 由于硬 磁 相 Nd F e B的 晶化温 度 高 于软 磁 相 a F e的 晶 化 温 度 导 致 软 硬 磁 相 晶 粒 生 长 动 力 学 不 同 往 往 a F e相 尺 寸 过 大 微 结 构 不 均 匀 磁 性 能 下 降 本 文 作 者 采 用 降 低 快 淬 速 度 直 接 得 到 Nd F e B a F e纳 米 双 相 磁 体 控 制 a F e相 粒 子 的 长大 研究 了快 淬 速率 对 纳米 双 相 Nd F e B a F e 磁 体 微 结 构 和 交 换 耦 合 作 用 的 影 响 1 实验 方 法 用 氩 弧 熔 炼 炉熔 炼 名 义 成 分 为 Nd F e B 的合 金 为 了保 证 合 金 成 分 的 均 匀 性 铸 锭 在 氩 弧 炉 中 被熔 炼 3次 然后 将 铸 锭 置 于 坩 埚 内 通 过 氩 弧 重 熔后 浇注到一快 速旋 转 的 Mo轮 表面 上淬 成薄 带 改变 Mo轮表 面速度 1 0 3 4 m s 得 到不 同快淬条 件下 的薄带 样 品在真空热处 理炉 中不 同温 度 区间 进 行 1 0 mi n退 火 热 处 理 用 最 大 测 量 磁 场 为 1 6 MA m 的 振 动 样 品 磁 强 计 VS M 测 量 了样 品 的 磁 性 能 用 D ma x R A 型 X 射 线 衍 射 仪 XRD 分 析 样 品 相 组 成 C u K 靶 样 品经 离 子 减 薄后 在 J E M一 2 0 0 C X 型 透 射 电 子 显 微 镜 上 进 行 了 显微 组 织 观 察 2结 果 与讨 论 图 1所 示 为 Nd F e B 合 金 快 淬 带 在 不 同 淬 速 下 的 X RD 衍 射 图 由 图 可 知 在 较 低 的淬 速 1 4 m S下 可 得 到 完 全 由 硬 磁 相 Nd F e B和 软 磁 相 a F e 组 成的快淬带 随着快 淬速率提高至 2 6 m s时 快 淬 带完全 由非 晶态组 成 图 2所示 是 Nd F e B s合 金 快 淬 带 淬 态 和 最 优 热 处 理 后 矫 顽 力 随快 淬 速 率 变 化 的 关 系 在 淬 态 下 矫 顽 力 开 始 随 转 轮 速 度 的 提 高而增加 当转速增 至 1 2 m s时 矫顽 力达到最高 值 4 2 3 2 k A m 随后 矫 顽力 随转 速 的 提高 而 急剧 基金 项 目 国家 重点基 础研 究发 展规 划资 助项 目 G1 9 9 9 0 6 4 0 5 8 教育 部科 学技 术重 点项 目和西 安交 通大 学博 士生基 金资 助课题 收稿 日期 2 0 0 2 0 1 0 9 修订 日期 2 0 0 2 0 4 0 1 作 者简 介 杨森 1 9 7 4一 男 博 士研 究生 维普资讯 第 1 2卷第 6期 杨森 等 纳 米 双相 Nd z F e l B a F e 磁 体 的微结 构 和交换 耦 合作 用 1 2 3 5 图 I Nd 8 F e 8 6 1 3 6 快 淬样 品 XR D谱 Fi g 1 XRD pa t t e r ns of as s pun N d 8 Fe 8 6 B6 r i bbons a t di f f e r e nt w h e el s pe e ds 吕 喜 茸 皇 箬 8 图 2矫顽 力i H 快淬 速率 的关 系 Fi g 2 Coe r c i vi t y i H of Nd8 Fe 8 6 B6 r i bbons a s f unc t i on of whe e l s pe e d 下降 最佳热处理后 矫顽 力仍在淬速 1 2 m s 时得 到最大值 因此 可见 Nd F e B 合 金 的最佳快 淬 速 率为 1 2 m s 图 3所示是 Nd F e B 合 金快淬带在不 同淬 速 下 T EM 显微组织 从 图中可 以看 出 低淬 速 1 0 m S 下 得 到 的快 淬 带 Nd F e B和 a Fe 相 晶 粒 粗 大 平 均 晶 粒 尺 寸 达 到 1 0 0 n m 如 图 3 a 所 示 因 此 样 品矫顽力低 在最佳淬速 1 2 m s 下 可直接得到晶粒 细小 微 结 构 均 匀 的 Nd F e B a F e 组 织 3 5 0 低 温退火处理消除由快速凝固带来 的成分不均匀性后 平均 晶粒尺寸在 1 5 n m 左 右 如 图 3 b 所 示 随着 快淬速率增加 至 2 6 m s 得到了完全非 晶组织 如 图 3 c 所 示 这 进 一 步证 实 了 XRD 的实 验 结 果 但 是 过 快 淬 样 品经 高 温 晶 化 处 理 后 显 微 组 织 不 均 匀 个 别 a F e粒 子 奇 异 长 大 尺 寸 达 到 1 0 0 n m 左 右 如 图 3 d所 示 这 是 由于 硬 磁 相 Nd F e B 和 软 磁 相 a F e的 晶 化 温 度 不 同 晶 化 时 a F e相 粒 子 优 先 从 成 分 不 均 匀 的非 晶 相 中析 出并 长 大 的 结 果 材料 内部软 硬磁相 间耦 合作用 的强弱可用退磁 曲线 分 析 方 法 A M 来 描 述 其 定 义 为 M H 一 md H 一 I 1 2 m H l 式 中 ma 是退磁 曲线 的剩磁 比 m 是初 始磁 化 曲 线 的剩 磁 比 根 据 W o h l f a r t h的 分 析 1 若 A M 0 则 晶粒 以交换 耦合作 用为 主 A M 峰值越高 交 换耦合 作用越强 若 M 0 晶粒 以长程 静磁 作用 为 主 M 一0说 明 晶 粒 问 不 存 在 相 互 作 用 图 4所 示 是 淬 速 为 1 2 m s和 2 6 m s的 样 品 最 佳 退 火 后 随外加磁 场 H 的变 化 曲线 在 外磁 场小 于 5 0 0 k A m 时 0 说 明硬 磁 Nd F e B相 和 软 磁 a F e 相发生铁磁性耦合 且 1 2 m s 样 品 的 峰值 明显 高于 2 6 m s的样 品 交换耦 合作用 强 这是 由于其 显 微 组 织 均匀 a F e 相 粒 子 细 小 且 均 匀 分 布 的 原 故 较强的铁磁交换 耦合作 用导致 其最 大磁性 能为 Hr 一 4 3 2 2 k A m J 一 1 0 8 T BH 一 1 1 5 k J m3 如 表 I所 列 与 2 6 m s快 淬 并 最 优 热 处 理 后 的 样 品 比较 矫 顽 力 和 体 积 电 磁 能 分 别 提 高 了 2 O 和 5 以 上 实 验 结 果 表 明 微 观 结 构 均 匀 a F e相 粒 子 细 小 且 均 匀 分 布 的 组 织 有 利 于 磁 性 能 的 提 高 我 们 可通过控 制快淬速率 达到这 种理想 的结构 当处 于最佳淬 速时 软硬 磁 晶体 相 直接 从液 相 析 出 F e具有高形 核 率 低生 长 率 的特 点 因此其 粒 子 细 小且均匀 分布 当快 淬 速率较 高 时 液相首 先淬 成 非 晶 相 在 随 后 晶化 过 程 中 由 于 软 硬 磁 相 的 晶 化 温 度 不 同 a F e 相 将 首 先 从 非 晶 相 中 析 出 快 淬 速 率越高 a F e的形 核率越低 同时非 晶相 的成分不 表 1各种 淬速 下 的 磁性 能 Ta bl e 1 M a g ne t i c pr ope r t i es of N d 8 Fe 8 6 B6 r i bbons a t d i f f e r en t w he e l s p e e ds W h e e l s p e e d Ann e a l i H BH m s 一 1 t e mp X 2 k A m一 1 k J m一 3 1 2 1 6 2 O 2 6 3 2 35 O 63 O 7 00 65 O 7 00 1 O8 1 1 5 O 1 O8 1 O 0 4 1 01 1 1 0 7 1 O5 1 0 5 7 1 06 1 06 4 维普资讯 中 国有色 金属 学报 图 3 Nd F e s B 快 淬样 品 TE M 形 貌像 及 电子衍 射 图 Fi g 3 TEM m i e r ogr a phs of o pt i m um an ne a l e d Nd6 F 8 6 B6 r i bbons a 一 l O m s a s s p u n b 一 1 2 m s 3 5 0 a n n e a l e d c 一 2 6 m s a s s p u n d 一 2 6 m s 6 5 0 a n n e a l e d 一一一 2 00 400 6 00 8 00 1 0 00 1 200 1 40 0 1 6 00 Ap p l i e d fi e l d k A m 图 4 Nd F e s B 快淬 带退 磁 曲线 分 析 Fi g 4 AM a s a f u nc t i on of app l i e d f i e l d t o a nne a l e d N d6 Fe 8 6 B6 r i bb ons 均 匀 性 和 内应 力 也 越 大 导 致 a F e粒 子 奇 异 长 大 这 对 材 料 的 内禀 磁 性 能 是 不 利 的 正 是 因 为 这 两 种 结 构 的 晶 化 过 程 和 a F e相 粒 子 长 大 动 力 学 不 同 才 导 致 磁 性 能 的差 异 当然 完 全 达 到 最 佳 淬 速 是 不 现 实 的 这 是 因 为 快 淬 过 程 受 设 备 条 件 和 材 料 成 分 影 响较 大 将 快 淬 速 率 控 制 在 最 佳 淬 速 范 围之 内还 是 较 为 容 易 实 现 然 后 通 过 低 温 热 处 理 消 除 少 量 非 晶相 带来 的 微 观 结 构 不 均 匀 性 同样 可 达 到 提 高 磁 性 能 的 目的 3 结 论 1 对成分为 Nd F e B 合金 控制快淬 速率在 1 2 m s 时 可 直 接 得 到 显 微 组 织 均 匀 a F e相 粒 子 细小 且均匀分布 的纳米双相耦合 Nd F e B a F e磁 体 低 温 退 火 处 理 消 除 少 量 非 晶 相 带 来 的 成 分 不 均 匀 性 后 磁 性 能 为 H 一 4 3 2 2 k A m J 一 1 0 8 T BH 1 1 5 k J m 较 之 过 快 淬 高 温 晶 化 的 磁 体 矫 顽 力 和 体 积 电 磁 能 分 别 提 高 了 2 0 和 5 2 过 高 速 率 的 快 淬 样 品 由 于 软 硬 磁 相 晶 化 温 度 不 同 高 温 晶化 时 软 磁 a F e相 首 先 析 出 快 淬 速 率 越 高 非 晶 相 的 成 分 不 均 匀 性 和 内 应 力 越 大 4 3 2 0 J 2 0 q 一 一 维普资讯 第 1 2卷第 6期 杨 森 等 纳米 双 相 Nd z Fe l B a F e磁体 的微 结构 和交 换耦 合作 用 导 致 a F e粒 子 奇 异 生 长 尺 寸 可 达 到 1 0 0 n m 左 右 这不利于软硬磁 相 的交换 耦合作 用 有损 磁性 能 I 7 E l i 2 3 4 5 6 RE F E R EN c E s Knel l e r E F Hawi g R The e xc ha nge spr i n g ma gne t a n e w ma t e r i a l p r i n c i p l e f o r p e r ma n e n t ma g n e t s J I EEE Tr a ns on M ag 1 991 27 35 88 36 00 S c hr e f l T Fi d l e r J Kr o n mt i l l e r H e t a 1 Re ma n e n c e a nd c oe r ci vi t y i n i s o t r opi c na no cr ys t aI l i ne p er m a ne nt ma g n e t s J P h y s R e v B 1 9 9 4 4 9 6 1 0 0 6 1 1 0 S k o ms k i R Co e y J M D Gi a n t e n e r g y p r o d u c t i n n a n o s t r u c t u r e d t wo p h a s e ma g n e t s J P h y s R e v B 1 9 93 4 8 1 581 2 15 816 Co e h o o r n R d e M o o ij D B d e W a a r d C M e l t s p u n pe rm an e nt m a gne t mat e r i a l s c ont ai ni n g Fe 3 B as t he ma i n p h a s e J J Ma g n Ma g n Ma t e r 1 9 8 9 8 0 1 0 1 1O 4 W i t h a n a wa s a m L M u r p h y A S Ha d j i p a n a y i s G C e t a 1 Na n o c o mp o s i t e R2 Fe 1 4 B Fe e x c h a n g e c o u p l e d ma g n e t s J J Ap p l P h y s 1 9 9 4 7 6 7 0 6 5 7 0 6 7 Di n g J Mc Co rm i c k P G St r e e t R Re ma n e n c e e n 一 8 1 9 1 O 1 1 ha nc e m e nt i n me c hani c al l y al l oy e d i s ot r opi c Sm7 Fe 9 3 一 n i t r i d e J J Ma g n Ma g n Ma t e r 1 9 9 3 1 2 4 1 4 Smi t h P A I Di n g J S t r e e t R e t a 1 Me c h a n i c a l l y a l l o y e d S m一 C o F e p e r ma n e n t ma g n e t s I J S c r i p t a M a t e r 1 996 34 61 66 刘 颖 陈 悦 涂 铭 旌 等 高 矫 顽 力 的低 钕 Nd F e C o Z r AI 1 3 6纳 米 晶合 金 的 制 备 J 中 国有 色 金 属 学 报 1 9 9 9 9 2 2 5 9 2 6 2 LI U Yi n g CHEN Yu e TU Mi n g j i n g e t a 1 Pr e p a r a t i o n o f Nd 9 Fe Co Zr AI 8 5 I 3 6 n a n o c r y s t a l l i n e a l l o y wi t h h i g h c o e r c i v e f o r c e J Th e C h i n e s e J o u r n a l o f N o n f e r r o u s M e t a l s 1 9 9 9 9 2 2 5 9 2 6 2 Ba u e r J Se a g e r M Ze r m A e t a 1 Na n o c r y s t a I l i n e Fe NdB pe r ma ne nt m a gne t s wi t h e nha nc e d r e ma nen c e J J Ap p l P h y s 1 9 9 6 8 0 1 6 6 7 1 6 7 3 Fi s c he r R Sc hr e f l T Kr onm Ul l e r H Gr ai n s i z e d e p e nde nc e of r e m a ne nc e a nd c oe r ci v e f i el d of i s ot r opi c n a n o c r y s t a I l i n e c o mp o s i t e p e r ma n e n t ma g n e t s J J M a gn M a gn M a t e r 1 996 1 53 35 49 W o h l f a r t h E P Re l a t i o n s b e t we e n d i f f e r e n t m o d e s o f ac qu i s i t i on of t he r e m a ne nt ma gnet i z a t i on of f er r o ma g n e t i c p a r t i c l e s J J Ap p l Ph y s 1 9 5 8 2 9 5 9 5 5 96 M i c r o s t r u c t u r e a n d e xc ha ng e c o u pl i ng i nt e r a c t i o n of n a n o c o mp o s i t e Nd z F e l 4 B a F e ma g n e t s Y ANG Se n LI Sha n dong I I U Xi a n s ong XI E G u o z h i TI AN Z o n g j u n PENG Ku n S ONG Xi a o p i n g DU Yo u we i 1 De pa r t me nt o f Phys i c a l M a t e r i a l s Sc ho ol of Sc i e nc e Xi a n J i a o t o n g Un i v e r s i t y Xi a n 7 1 0 0 4 9 Ch i n a 2 De p a r t me n t o f Ph y s i c s Na n j i n g Un i v e r s i t y Na n j i n g 2 1 0 0 9 3 Ch i n a Ab s t r a c t N a n o c o mp o s i t e N d 2 F e 1 4 B F e ma g n e t s a r e s y n t h e s i z e d b y m e l t s p i n n i n g a N d 8 F e 8 6 B 6 a l l o y a n d t h e e f f e c t o f w h e e l s pe e d o n t he m i c r os t r uc t ur e a nd ex c hang e c oupl i ng i nt e r a c t i on i s i nve s t i gat e d The r e s ul t s s how t ha t t her e i s an opt i mum whe e l s p e e d a b o u t 1 2 m s a t whi c h a h o mo g e n e o u s Nd 2 F e B a Fe mi c r o s t r u c t u r e wi t h f i n e a Fe g r a i n s i s d e v e l o p e d d i r e