土木专业建筑学二磁性功能材料三随堂讲义ppt课件

1、l3.1 概述l3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金l3.5 铁氧体永磁资料l3.6 双相纳米晶复合永磁资料l3.1 概述l 一定义，根本要求，用途l 二开展历史l 三分类l3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金l3.5 铁氧体永磁资料l3.6 双相纳米晶复合永磁资料 永磁资料 具有高矫顽力，高剩磁的磁性资料称为永磁资料，也叫硬磁或者恒磁资料。一定义，根本要求，用途一定义，根本要求，用途 永磁资料的主要用途 利用永磁体在气隙中产生足够强的磁场，利用磁极与磁极

2、的相互作用，磁场对带电物体或载流导体的相互作用做功，实现能量，信息的转换。Hg：磁场强度：磁场强度Bm ：磁感强度：磁感强度Hm：磁场强度：磁场强度Vm：磁铁的体积：磁铁的体积 Vg：气隙的体积：气隙的体积最大磁能积最大磁能积(BH)max：退磁曲线上磁能：退磁曲线上磁能积最大的一点，工程运用中通常将积最大的一点，工程运用中通常将(BH)max称为磁能积。称为磁能积。2/10)(gmmmgVVHBH永磁资料的根本要求：Br要高Hc要高最大磁能积(BH)m要高Tc要高 l3.1 概述l 一定义，根本要求，用途l 二开展历史l 三分类l3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金l3.3 Fe-C

3、r-Co可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金l3.5 铁氧体永磁资料l3.6 双相纳米晶复合永磁资料早期永磁资料是碳钢，早期永磁资料是碳钢，后来参与后来参与C,W，Cr，Al等构成磁钢等构成磁钢1931年，铸造铁镍铝合年，铸造铁镍铝合金，之后参与各种添加金，之后参与各种添加元素如钴、铜、钛、铌元素如钴、铜、钛、铌等而开展成为牌号为等而开展成为牌号为AlNiCo5、AlNiCo8的的铝镍钴合金铝镍钴合金60年代初出现的稀土钴永年代初出现的稀土钴永磁合金，磁合金，RCo5(R代表稀土代表稀土元素元素)称为第一代稀土永磁称为第一代稀土永磁1983年，出现了以年，出现了以Nd-Fe-B为为代表的第三代

4、稀土永磁资料代表的第三代稀土永磁资料间隙稀土金属间化合物永磁资料；间隙稀土金属间化合物永磁资料；纳米晶复合交换耦合永磁资料。纳米晶复合交换耦合永磁资料。R2CO17称为第二代稀土永磁称为第二代稀土永磁三永磁资料种类：三永磁资料种类： 金属永磁资料金属永磁资料FeNiAl，AlNiCo等等 铁氧体永磁资料铁氧体永磁资料MOxFe2O3 稀土永磁资料稀土永磁资料Nd-Fe-B等等 双相纳米晶复合永磁资料双相纳米晶复合永磁资料l3.1 概述l3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金l3.5 铁氧体永磁资料l3.6 双相纳米晶复合永磁资

5、料 FeNiAl和AlNiCo： 在Fe-Ni-Al三元合金的根底上开展起来的铸造永磁合金 主要成分：Fe，Ni，Al，可参与Co，Cu，或Mo，Ti FeNiAl常用成分：Fe-25at%Ni-25%Al 1相是铁磁相相是铁磁相 2相为相为NiAl弱磁相。弱磁相。相是相是Ni基弱磁相。基弱磁相。图上虚线表示常用的图上虚线表示常用的Fe-Ni-Al合合金成分，它在金成分，它在1400附近成附近成相，相，900附近产生附近产生1+2转转变。变。Fe-5%Al47.5%Ni-AllAlNiCo合金：l相图特征，相构造，相转变和磁硬化机理与FeNiAl合金一样 l各相存在的温度范围及居里温度有所不同

6、lAlNiCo5：24%Co，14%Ni，8%Al，3%Cu，余FelAlNiCo8：35%Co，14%Ni，7%Al，4%Cu，5%Ti，余FeAlNiCo合金发生的调幅分解：合金发生的调幅分解： 1(FeCo)+ 2(NiAl) 1：BCC构造，构造，Ms比比FeNiAl资料中的资料中的 更高，更高，Tc870。 2：NiAl根据冷却过程中加或者不加磁场，可以得到磁各向异性或根据冷却过程中加或者不加磁场，可以得到磁各向异性或者各向同性的资料。者各向同性的资料。磁场热处置磁场热处置 Alnico5合金经冶炼、铸造合金经冶炼、铸造 固溶处置：固溶处置：200 冷却：冷却：1100-850：大于

7、：大于0.1/s的速度冷却，的速度冷却，900-850：160-420kA/m的磁场，磁场的磁场，磁场 中以中以(0.1-1.0/s)冷却至冷却至200回火：回火： 600回火回火5-10hr经磁场热处置后，经磁场热处置后，1+2两相曾经构成，两相曾经构成，但成分差别较小，还需经过时效处置，使但成分差别较小，还需经过时效处置，使1相更加富相更加富Fe、Co，2相更加富相更加富Ni、Al，两相的成分差、磁性差加大，两相的成分差、磁性差加大，Hc提高。提高。AlNiCo永磁体的制备工艺简图永磁体的制备工艺简图24Co-14Ni-8Al-3Cu-FeAlNiCo5性能：性能：Br=1.29T，Hcb

8、=52.0kA/m, (BH)m=40.0kJ/m3磁场热处置磁场热处置Br=0.87T, Hcb=47.2kA/m, (BH)m=17.1kJ/m3未经过磁场热处置未经过磁场热处置l磁场处置可以提高AlNiCo磁性能的缘由：100是是1和和2相的惯习面相的惯习面假设不进展磁场处置，那么假设不进展磁场处置，那么1相是相互正交相是相互正交1相的相的Tc高于磁场处置和相分解温度，高于磁场处置和相分解温度， 1相一析出就是相一析出就是铁磁性铁磁性1相优先沿与磁场方向平行的相优先沿与磁场方向平行的2相的相的(100)面析出，与磁面析出，与磁场垂直或成一定角度的那些场垂直或成一定角度的那些(100)面上

9、的面上的1相的析出遭到相的析出遭到一定程度的抑制一定程度的抑制得到了伸长形的得到了伸长形的1相颗粒沿磁场方向规那么陈列的显微组相颗粒沿磁场方向规那么陈列的显微组织织得到各向异性的得到各向异性的AlNiCo永磁体，其磁性能大大地提高永磁体，其磁性能大大地提高)(1 )()(1 (2221DDMMMNNpApHpsdLciA：取向因子：取向因子p：2相体积百分数相体积百分数NL、Nd：1相长轴和短轴方向的退磁因子相长轴和短轴方向的退磁因子M1、M2：1相和相和2相的饱和磁化强度相的饱和磁化强度Ms：合金的饱和磁化强度：合金的饱和磁化强度Dp：相单畴粒子由铁磁性转变为顺磁性的临界尺相单畴粒子由铁磁性

10、转变为顺磁性的临界尺寸寸D：1相单畴颗粒的尺寸相单畴颗粒的尺寸回火处置的目的是扩展回火处置的目的是扩展NL-Nd和和M1-M2)的差的差值，从而进一步提高矫顽力。值，从而进一步提高矫顽力。矫顽力：矫顽力：lAlNiCo8：l 在AlNiCo5合金的根底上，提高Co含量，同时参与少量的Ti，同时调整Ni和Al的含量就可以得到FeNiCo8合金。lAlNiCo8：35%Co，14%Ni，7%Al，4%Cu，5%Ti，余FelAlNiCo8的固溶温度普通为1300左右，为了防止相的析出，AlNiCo8的冷却速度要比AlNiCo5的冷速快，以约200/min的冷速冷到850，施加160kA-420KA

11、/m，冷却到800 左右进展等温磁场处置。由于Co含量的添加，亚稳分解速度减小，故在800左右进展等温磁场处置。AlNiCo永磁体的制备工艺简图永磁体的制备工艺简图改良改良AlNiCo铸造方式，采用蜂窝状的铸铸造方式，采用蜂窝状的铸模。模。在高温铸模内钢液自下而上结晶，从而在高温铸模内钢液自下而上结晶，从而得到平行棒状样品轴向的柱状晶。对于得到平行棒状样品轴向的柱状晶。对于AlNiCo合金来说合金来说100是优先生长方向，是优先生长方向，因此柱状晶的因此柱状晶的100轴与样品轴平行。在轴与样品轴平行。在磁场处置时，沿样品轴向加磁场，从而磁场处置时，沿样品轴向加磁场，从而提高了提高了1相的取向因

12、子相的取向因子A，并扩展了，并扩展了(NL-Nd)的差值，因此柱状品的差值，因此柱状品AlNiCo样样品的磁性能大大提高。品的磁性能大大提高。24Co-14Ni-8Al-3Cu-FeAlNiCo5性能：性能：Br=0.87T, Hcb=47.2kA/m, (BH)m=17.1kJ/m3未经过磁场未经过磁场热处置热处置Br=1.29T，Hcb=52.0kA/m, (BH)m=40.0kJ/m3磁场热处置磁场热处置Br=1.33T，Hcb=56.064.0kA/m, (BH)m=5664kJ/m3柱晶柱晶l3.1 概述概述l3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金永磁合金l3.3 Fe-Cr-

13、Co可加工永磁合金可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金稀土永磁合金l3.5 铁氧体永磁资料铁氧体永磁资料l3.6 双相纳米晶复合永磁资料双相纳米晶复合永磁资料l70年代开展起来的永磁资料l根本成分为：2033Cr，325Co，其他为铁l改动组分含量、特别是Co含量或添加其他元素如Ti等，可改善其永磁性能l通常添加的元素有Mo、Si、V、Nb、Ti、W等l3.1 概述概述l3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金稀土永磁合金l 一简介一简介l 二二SmCo5永磁资料永磁资料l 三三NdFeB永磁合金永磁合金l

14、3.5 铁氧体永磁资料铁氧体永磁资料l3.6 双相纳米晶复合永磁资料双相纳米晶复合永磁资料一简介一简介 稀土永磁合金的特点：磁晶各向异性能K和磁弹性能很大 六角晶系，四方晶系，剧烈的单轴各向异性SmCo5型晶体构造型晶体构造a和单位晶胞和单位晶胞bSmCo5的性能：的性能：Br=0.80.95T，Hcb=557756kA/m, (BH)m=159kJ/m3 假设采用强磁场取向等工艺：假设采用强磁场取向等工艺：Br=1.07T，Hcb=851.7kA/m, (BH)m=227.6kJ/m3成分对成分对SmCo5的性能的影响：的性能的影响： 消费上采用富消费上采用富Sm成分，防止成分，防止Sm2C

15、o17的生成的生成 富富Sm时烧结性好，容易获得高密度时烧结性好，容易获得高密度 曾经适用的烧结永磁体： SmCo5，CeCo5，PrCo5 ReCo5的缺陷：磁感温度系数过高 改良：用重稀土元素部分地取代RECo5中的轻稀土元素Sm-Co永磁局限性：永磁局限性：Sm在稀土矿中在稀土矿中Sm含量仅有含量仅有0.53含有昂贵的战略金属含有昂贵的战略金属Co1983年日本住友金属公司发现年日本住友金属公司发现NdFeB系永磁资料系永磁资料l优点：l 1. 磁能积高， (BH)m =290kJm3 l (BH)m433.62kJ m3l 2. 矫顽力到达了2400kAml 3. 价钱廉价，Nd和Fe

16、的资源丰富(在稀土矿中含有1320%的Nd)，价钱廉价。l缺陷：l 居里温度低：Tc3l0 l 温度稳定性差 l 耐蚀性，抗氧化性差1Nd-Fe-B 的相构造和组成的相构造和组成 Nd-Fe-B优良的性能主要来源于成分为优良的性能主要来源于成分为Nd2Fe14B的磁性相。实践上，许多稀土元素都和的磁性相。实践上，许多稀土元素都和Fe，B构成类构成类似的相。该相为四方相，每个单胞由似的相。该相为四方相，每个单胞由4个个Nd2Fe14B分子组成。分子组成。B的作用：的作用：少量的少量的B进入进入NdFe合金合金后，不仅使得构造从六后，不仅使得构造从六角构造变成四角，而且角构造变成四角，而且易磁化轴

17、也转到易磁化轴也转到C轴上，轴上，从而使钕铁硼成为高性从而使钕铁硼成为高性能永磁资料。能永磁资料。2 Nd-Fe-B的微观组织的微观组织1. Nd2Fe14B 基体相基体相 2. Nd1+Fe4B4富富B相相3. 富富Nd相相Nd1-xFexlNdFeB合金的矫顽力l 实际值5.571MA/m，实践值 1.5MA/m，27%lNdFeB合金矫顽力来源：l 1. 由晶界或者相界的钉扎场决议l 2. 由反磁化畴的形核场决议l合金化改善性能：l提高Tc： 参与Co取代部分Fel提高抗腐蚀性能： 参与Cr，V，Ni等l改善温度稳定性： 参与Al，Nb，Ga等3 Nd-Fe-B 磁体的制备磁体的制备 磁

18、粉的制备磁粉的制备 a. 熔体快淬法熔体快淬法熔体快淬法熔体快淬法冷速：冷速：105-106K/s美国美国GM公司公司非晶态至微晶非晶态至微晶b. 气体雾化法气体雾化法日本神户制钢所和美国坩埚运用磁性公司日本神户制钢所和美国坩埚运用磁性公司外表光滑，呈球状外表光滑，呈球状粒径为粒径为410umc. 机械合金化机械合金化西门子公司西门子公司充充Ar气的高能球磨机将原料进展气的高能球磨机将原料进展球磨，利出产生的高温让原料发生球磨，利出产生的高温让原料发生固相反响；固相反响； 也可在氩气中加氢气，让磨碎的也可在氩气中加氢气，让磨碎的粉末吸氢使晶粒细化，平均晶粒尺粉末吸氢使晶粒细化，平均晶粒尺寸减到寸减到1um左右，然后对合金粉进左右，然后对合金粉进展热处置。展热处置。 d. HDDR法氢爆法氢爆HDDR流程及所伴随的反响流程及所伴随的反响得到粒径为得到粒径为300nm的的细小晶粒细小晶粒电子，电气设备的小型化领域电子，电气设备的小型化领域Nd-Fe-B 磁体的制备磁体的制备 b. 烧结法烧结法l3.1 概述概述l3.2 FeNiAl, A