微波烧结制备磁性Nd2Fe14Bp/Al复合材料及微观组织和性能研究

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新时期对磁性器件综合性能要求越来越高,比如新能源汽车用电机磁性器件就有轻量化和小型化的需求。目前汽车的减重途径是用铝钢、碳纤维复合材料替代传统钢铁结构材料,但尚未涉及用量大的磁性材料的减重;现有磁性材料以钕铁硼的综合永磁性能最好,具有高剩磁、高矫顽力等优异的综合永磁性能,但其存在密度大、导电导热性差、脆性大且不易加工等不足之处,不能满足对磁性器件轻量化和小型化以及安全使用的需求。因此,以铝作为基体,以钕铁硼磁粉作为复合相制备铝基复合材料有望实现轻量化、高强韧以及高导热导电性能。本研究以Nd2Fe14B作为增强相,以纯铝为基体,选用微波烧结新工艺,通过粉末冶金固结成型方法制备Nd2Fe14B颗粒增强铝基复合材料,即Nd2Fe14Bp/Al。通过调控过程参数以优化材料的微观结构和磁性能,获得结构功能一体化的新型磁性铝基复合材料,充分发挥了铝基复合材料中基体和复合相的各自优势。通过运用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、纳米压痕等现代材料检测方法,对复合材料微观形貌、相组成进行了分析,并测定了材料的致密度、硬度、压缩强度和磁性能(矫顽力、剩磁、最大磁能积、饱和磁化强度),取得了如下的研究结论:(1)对微波烧结制备的Nd2Fe14Bp/Al复合材料进行DSC及XRD物相分析,发现烧结后试样中只存在基体相Al和增强相Nd2Fe14B,并没有出现其它反应生成物,也没有发现Al2O3等氧化物。(2)微波烧结制备的复合材料的微观组织与原料粉末粒度、Nd2Fe14B含量和烧结温度有关,粉末粒度越细,制备的Nd2Fe14Bp/Al复合材料致密度越高,具有更好的组织和性能;当Nd2Fe14B加入量为15wt.%、烧结温度为580℃时,组织中颗粒尺寸细小且分布较均匀,颗粒结合紧密,孔隙率较低,复合材料的组织稳定性较好,此时试样的致密度为92%,抗压强度和屈服强度分别为222MPa和168MPa,较纯铝基体分别增加28%和21%。(3)在Nd2Fe14B加入量一定时,对不同烧结温度下制备的Nd2Fe14Bp/Al复合材料进行磁性能测试,对比发现当烧结温度为580℃时,试样具有最优的磁性能,所对应的矫顽力Hc、剩磁Br、最大磁能积(BH)max及饱和磁感应强度Ms的大小分别为0.61T、0.60T、59.89kJ/m3和152emu/g。(4)Co元素会对Nd2Fe14Bp/Al复合材料的微观结构和磁性能产生影响,并且Co元素主要分布在Nd2Fe14B-Al相界处,起到了细化晶粒的效果。当Co元素的加入量为5wt.%时,试样具有稳定的组织结构和最佳的磁性能;相比于未加Co元素的Nd2Fe14Bp/Al复合材料,试样的剩磁、矫顽力、最大磁能积和饱和磁化强度都有显著变化,随Co含量的增加总体上呈现先上升后下降的趋势,均在Co含量为5wt.%时达到最大值,分别为0.80T、0.73T、88.63kJ/m3和251emu/g。(5)通过对比研究微波烧结与传统真空无压烧结工艺对Nd2Fe14Bp/Al复合材料组织与性能的影响,结果表明,微波烧结比传统烧结效果要好,材料内部组织整体比较均匀,具有更好的力学性能,同时材料的磁性能也要高于传统烧结。
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