纳米复合永磁材料的微结构和磁性能

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本论文对Nd-Fe-B系稀土永磁材料的研究和发展现状进行了综合评述,讨论了理论上影响纳米复合永磁材料矫顽力的主要因素,重点研究了制备工艺、添加元素和微结构对磁性能(尤其是矫顽力)的影响。我们的工作主要包括:1.理论计算相分布和晶粒尺寸对纳米复合永磁材料矫顽力的影响。基于有效各向异性模型,并采用统计分析的方法,计算了矫顽力、晶粒尺寸和两相体积分数间的关系。计算结果表明,当软磁性相体积分数确定,两磁性相晶粒尺寸相同时,材料的矫顽力随晶粒尺寸的减小单调递减,在20nm左右矫顽力开始迅速降低;当软磁性相体积分数和晶粒尺寸一定时,材料的矫顽力Hc随硬磁性晶粒的变化呈现极大值,此现象起源于软、硬两磁性相在纳米复合永磁材料中的随机分布结果;当硬磁性相体积分数和晶粒尺寸一定时,材料的矫顽力Hc随软磁性晶粒的减小而降低。2.采用熔体快淬+晶化处理方法制备纳米复合永磁材料,研究了制备工艺和添加元素对材料微结构和矫顽力的影响。(1)快淬速度对纳米复合永磁材料微结构影响。Nd11Fe83B6薄带,在快淬速度为20m/s时主要由a-Fe相和2:14:1相组成,但是其晶粒大小不均匀,磁性能不高:当快淬速度增大到30m/s时,样品中a-Fe相和2:14:1相的含量减少,出现非晶态;当快淬速度急剧增大到58m/s时,样品已经完全处于非晶态。(2)晶化处理对纳米复合永磁材料微结构和磁性能的影响。晶化温度和时间的选择是相互制约的。为获得优异的硬磁性能,晶化处理应使非晶相充分晶化,同时又要避免晶粒长的过大。如果晶化温度较低,处理时间应延长一些,如果晶化温度较高,则时间应短一些。实验表明,低温长时间热处理比高温短时间热处理的结果稍好一些。在经过650℃×5min晶化处理后得到的样品的磁性能最好,其矫顽力在平均晶粒尺寸为22nm时达到最大值。室温磁性能为:jHc=376kA/m,Br=0.8T,(BH)max=94kJ/m3。(3)添加微量元素对纳米复合永磁材料微结构和磁性能的影响。在纳米复合材料中,Co原子同时替代硬磁性相和软磁性相中的Fe,使材料的各向异性和矫顽力提高。同时增强了正交换耦合相互作用,使居里温度提高。Co可以作为掺杂元素进入晶粒边界,使薄带在晶化处理时晶粒均匀、细小,有利于软、硬磁性相的交换耦合作用,使得矫顽力增强。Dy的添加可提高各向异性场和矫顽力,但Dy的添加会使样品的居里温度有所下降,Co的添加正好弥补了Dy的这一缺陷。采用58m/s的快淬速度,复合添加Dy、Co后,Nd8.2Dy2.8Fe76.4Co6.6B6样品的居里温度达到655K。经热处理后矫顽力明显提高。室温磁性能为:jHc=1612kA/m,Br=1.3T,(BH)max=331kJ/m3。综合硬磁性能比Nd11Fe83B6明显提高。
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