放电等离子12

1、放电等离子烧结技术 制备NdFeB磁性材料 v本组成员： 无机10-2班 刘明 1001130518 刘明伟 1001130519 李义强 1001130515 基本内容 v1、放电等离子烧结技术制备NdFeB磁性材料的基本 v 概况。 v2、放电等离子烧结技术制备NdFeB磁性材料的制备。 v3、放电等离子烧结技术制备NdFeB磁性材料的应用。 v4、放电等离子烧结技术制备NdFeB磁性材料的发展 v 前景。 v5、参考资料。 1、放电等离子烧结技术制备NdFeB磁性 材料的基本概况。 v “放电等离子烧结”（Spark Plasma Sintering, SPS） 又称“等离子活化烧结”（

2、Plasma Activated Sintering, PAS），是1990年代出现的材料制备新技术之一。它是利用 脉冲大电流直接施加于模具和样品上，产生体加热(如图1所 示)，使被烧结样品快速升温；同时，脉冲电流引起颗粒间 的放电效应，可净化颗粒表面，实现快速烧结，有效地抑制 颗粒长大。传统的热压烧结主要是由通电产生的焦耳热 （I2R）和加压造成的塑性变形这两个因素来促使烧结过程 的进行。而 SPS 过程除了上述作用外，在压实颗粒样品上 施加了由特殊电源产生的直流脉冲电流， 并有效利用在粉体 颗粒间放电所产生的自身发热作用。 v。 v 钕铁硼（NdFeB）永磁材料因具有优异的磁性能和高 性价

3、比被广泛应用于计算机、通讯、自动化、航空航天、交 通、医疗等等各领域。 目前制备大块 NdFeB 永磁体的方法 主要分为烧结磁体和粘结磁体。烧结磁体烧结温度高，晶粒 长大明显，晶粒大小分布不均且容易腐蚀。粘结磁体由于含 有非磁性相，磁性能较低。放电等离子火花烧结是目前一种 比较新型的烧结技术，其基本原理是通过对电极通入直流脉 冲电流瞬时产生的焦耳热使颗粒表面活化, 在加压的同时实 现烧结。 这种技术的特点是烧结温度低， 升温速度快，可 以获得晶粒细小、分布均匀的优异显微组织结构，从而提高 耐腐蚀性和磁性能。 v v 放电等离子烧结(SPS)具有加热快、烧结温度 低和时间短的特点, 可以有效抑制

4、Nd-Fe-B磁体在 烧结过程中的晶粒长大采用 SPS 技术制备的Nd- Fe-B 磁体具有独特的显微组织结构, 使磁体具有良 好的耐腐蚀性能。 目前, 采用 SPS 技术制备Nd- Fe-B 磁体有两种方法: 一种是采用球磨/气流磨制 粉、取向压型, 然后放电等离子烧结获得各向异性 的 Nd-Fe-B 磁体; 另一种是利用快淬带破碎制粉、 预压成型、放电等离子烧结得到各向同性的 Nd-Fe- B磁体, 然后把磁体经过热变形得到各向异性的Nd- Fe-B 磁体. 2.放电等离子烧结技术制备NdFeB磁性 材料的制备 v 在感应炉中高纯 A r 保护气氛下,将名义成分为 N d 12 Pr2 D

5、 y 2 FebalAl1Nb0.3C u 0.2B6 的合金熔炼成锭,利用快淬技术制 成厚带,氢破碎后经气流磨制成颗粒直径为几微米的粉末,将 其放入石墨模具中进行磁场取向和预压后,进行 SPS 烧结.结 设备采用 SPS 3.2 0一MK 一V 型烧结系统.同时采用传统烧 结技术将合金粉末进行烧结.实验工艺参考文献.烧结后的磁 体利用B 一H 永磁回线仪测量其磁性能;利用扫描电镜 S E M 观察了磁体的显微组织结构和断口形貌;利用电子能谱分析 了磁体的成分.分别利用高压釜实验( 2 0 0k P a ,1 2 1 )和 高温氧化实验(干燥空气,20 0 )测试了磁体的耐腐蚀和抗 氧化性能;

6、磁体的力学性能用冲击韧性来衡量;利用阿基米德 法测量磁体的密度. v 上图为压力 50MPa、保温 5min、不同 SPS 烧结温度 样品的扫描电子显微组织。可以看出，随着烧结温度的升高， 磁体的形貌结构有明显的变化，650烧结样品颗粒边界并 不明显，晶粒细小，均匀分布。当烧结温度达到 700以上 时，磁体显微组织中出现明显的分区，包括细晶区和粗晶区。 这是由于放电等离子火花烧结是一种通过在颗粒表 v面产生大量焦耳热来使颗粒表面活化， 在颗粒边界的晶粒首 先长大，而颗粒内部晶粒基本保持不变。因此，图 中b、c、 d 中的粗晶区对应于相邻粉末的边界区，细晶区对应于粉末 内部的细晶区。研究发现，随

7、烧结温度升高，颗粒边界的粗 晶区由 700烧结的4m 长大到 800烧结的10m，细 晶区的宽度由 700烧结的30m 减小到 800烧结的 v15m。 SPS具有优良的化学稳定性 v SPS 和传统烧结 N dFe B 磁体在干燥空气中 20 0 下的氧化增重动力学曲线如图 1 (a)所示 .可 以看出,SPS 磁体的氧化增重明显低于传统烧结磁 体,而且二者增重的差异随着时间的延长而明显变大, 从而说明前者的氧化速率要比后者低得多. v SPS 和传统烧结 N dFe B 磁体的高压釜腐蚀动 力学 曲线如图 1 ( b ) 所示 .可以看出,随着时间的增 加,SPS N dFeB 磁体失重比

8、传统烧结磁体小的多.在 腐蚀进行了25 0 h 后,S PS 磁体的增重仅有传统烧 结磁体的 1/ 1 0,表明前者具有更好的耐腐蚀性能。 3、烧结 NdFeB 磁体的应用 v3、1、在音响器件的应用、在音响器件的应用 v NdFeB永磁材料在中国的最大使用领域是音 响，占27%，音响中应用包括扬声器、耳机等。 扬声器的磁路构造分内磁式(多用Alnico做磁体) 和外磁式(多用铁氧体做磁体)，应用稀土永磁材 料时，可适用于内磁式和外磁式两种结构，尺 寸和重量都大大减小。目前，国内外生产高级 音响设备的厂家有些已推出NdFeB扬声器,电声 性能有较大改善。我国大量出口的喇叭片磁钢 主要用在高性能

9、立体声耳机上。 3、 2.在电机、汽车领域的应用在电机、汽车领域的应用 v NdFeB永磁材料在我国第二大应用领域是电机, 占25%。NdFeB的出现,意味着电机领域将引起革命 性的变化,这是因为NdFeB永磁材料没有激磁损耗、 不发热,用它制造的电机优点很多。因永磁电机没有 激磁线圈与铁心,磁体体积较原来磁场极所占空间小、 没有损耗、不发热,因此为得到同样输出功率整机的 体积,重量可减小30%以上,或者同样体积、重量,输 出功率大50%以上。永磁电机,尤其是微电机,每年 世界产量约几亿台之多,主要用在汽车、办公自动化 设备和家用电器中。所使用的多为高性能的铁氧体 和稀土永磁体。 3、 3.

10、油田除蜡器油田除蜡器 v 钕铁硼永磁材料用在油田除蜡器,我国占22%,是 第三大应用领域,西方为零,这与我国油田的石油特 殊组成即含蜡量高有关。我国石油中含有较多的蜡, 将石油从地层下抽出过程中,由于石油所受压力、温 度等环境的变化,原油中含的蜡在油井壁及输送管道 中析出,因此每年由于清蜡而停产造成巨大经济损失。 将NdFeB永磁体在一管中形成磁路,原油经过时受磁 场作用而有效防止了蜡的析出,这就大大减少了油井 清蜡停产次数,提高了产量。目前这是较为重要的稀 土应用之一,除了除蜡器外,还有用稀土永磁制作的 油井遗物打捞器等。 3、4. 在电子束聚焦、微波器件中的应用在电子束聚焦、微波器件中的应

11、用 v 在微波领域中,微波管、毫波管发生器或 放大器需要稳定磁场,稀土永磁体在此中主要 起电子运动的聚集作用。电子束聚焦领域中, 稀土永磁的应用主要是用在各种加速器、质 谱仪及微波器件中,由于使用的环境温度较高, 一般用Sm-Co系稀土永磁。典型应用为周期 性永磁体(REPM)、电子束或其它粒子束通过 磁体进行聚焦改变前进方向等。 5. 在计算机硬盘和软盘驱动器的应用在计算机硬盘和软盘驱动器的应用 v 计算机硬盘和软盘驱动器中的读写磁头的移动 是由VCM即音圈电机来驱动的,随着计算机技术及硬 件的不断进步,对VCM磁体的形状、性能要求变化频 繁。西方世界NdFeB最大使用领域是计算机磁盘驱 动

12、器中的音圈电机(VCM),占总数的57%。在计算机 中使用的稀土永磁材料最多的器件是磁盘驱动电机 (VCM),另一种是数据输出打印机电机。21世纪至今, 个人电脑的销售量在西方国家将维持20%增长,而我 国对电脑需求的增长远远超过20%的增长率,因而 NdFeB在VCM上应用的需求将会成倍增长。 6. 仪表上的应用仪表上的应用 仪表是永磁材料的另一个较广的应用领域仪表是永磁材料的另一个较广的应用领域,主主 要包括各种磁电、电磁式仪表要包括各种磁电、电磁式仪表,如电流表、电压如电流表、电压 表、电度表、速度及加速度表等常规测量仪表。表、电度表、速度及加速度表等常规测量仪表。 由于稀土永磁特别是由

13、于稀土永磁特别是NdFeB磁体的出现磁体的出现,使得仪使得仪 表实现了高精度、微型化表实现了高精度、微型化。 7. 特色应用特色应用 有些方面的应用还具有我国的特色有些方面的应用还具有我国的特色,如磁力耦如磁力耦 合油泵的使用合油泵的使用,解决了石油工业跑冒滴漏的老大难解决了石油工业跑冒滴漏的老大难 问题问题;治疗各种疾病的磁医疗治疗各种疾病的磁医疗,也属影响面较广的稀也属影响面较广的稀 土永磁应用。土永磁应用。 我国NdFeB产业存在的问题 v 目前,我国NdFeB产业存在的主要问题是NdFeB 产品档次低和质量差,国外产品平均价格是国内产品 的34倍,而提高NdFeB的表面防护水平，满足各

14、种 应用环境的要求,是提高NdFeB产品质量、性能，进 而提高其档次的关键之一。由于NdFeB的市场前景 及重要地位,国外各生产商皆把NdFeB的表面防护技 术作为重要技术秘密。因此要提高产品竞争力、占 领国际市场、发挥稀土大国的资源优势，必须发展 具有我国自主知识产权的NdFeB永磁材料防护技术。 使我国NdFeB生产产品高档化,应是NdFeB生产的当 务之急。 4、NdFeB永磁材料发展前景 v NdFeB永磁材料自1984年商业化生产以 来，到1989年年产量几乎每年翻番，NdFeB 的发展异常迅速，2000年全世界NdFeB产量 已达1.5万t。随着电脑生产的快速增长，所用 NdFeB

15、的数最也是很大的；另一个潜在市场 是下一世界MRI的普及使用。这些应用都将 维持NdFeB生产的快速增长，NdFeB永磁材 料发展前景非常广阔。 v 随着环境保护的要求,无油汽车、摩托车 是今后的发展方向,这将给稀土永磁体的发展 带来广阔的市场。 v 计算机发展也带动了相关配套元件的发 展,磁盘、光盘驱动器和打印机驱动头更是使 用钕铁硼最大的用户,多媒体音响对永磁材料 的需求量也是很大 v NdFeB永磁材料的高性能使得高新技术 产业中的磁器件高效化、小型化、轻型化成 为可能,使许多过去不可能应用永磁材料的领 域开始使用磁器件,因而开辟了一些全新的永 磁应用领域。新型稀土系永磁材料的研究日 益

16、深入和广泛,预期不久的将来新的材料会不 断开发出来,相信随着稀土永磁材料应用的扩 展,定会迎来一个永磁高新技术应用的新时代。 参考文献 v1 苏武，黄英，闫梨. 磁性纳米线阵列的备与应用 J.化工进展，2008，27(4)：478- 482. v2 曹渊，杜军，陶长元，等. 磁性纳米线阵列研究 J. 压电与声光，2007，29(6)：648-652. v3 张腊梅. 磁性纳米线磁特性的微磁学研究D. 湖 南：中南大学，2005. v4 韩念梅. 磁性纳米线、反铁磁耦合多层膜磁特性 的微磁学研究D. 湖南：中南大学，2007 v5 罗阳. 慈溪磁体厂和南京电动自行车厂生产考察 随笔J. 磁性材料

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18、oft magnetic properties of a nanocrystalline Fe84Nb7B9 alloyJ Scripta Materialia， 2001，44(89)：14011405 v10 Xue Li，Akihiro Makina，Hidemi Kato，et alFe76Si9.6B8.4P6 glassy powder soft-magnetic cores with low core loss prepared by spark plasma sinteringJ Materials Science and Engineering B， v2011，176(15

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