纳米晶Sm-Co合金化合物的制备与结构性能表征

摘要

Sm-Co纳米晶合金化合物以其优良的磁性能成为新型功能材料研究的前沿课题,而目前的研究多数集中在对高Co型Sm-Co合金化合物(如SmCo5,Sm2Co17及SmCo7)的研究,对低Co型的Sm-Co合金化合物研究报道极少。本文以低Co型的SmCo2、Sm2Co7合金化合物为研究对象,研究获得了制备纳米晶结构的SmCo2、Sm2Co7合金化合物块体材料的创新方法;对制备的纳米晶合金化合物的显微组织、晶体结构和相组成等进行表征和分析,并利用纳米晶合金热力学计算,对纳米晶合金化合物的相稳定性和相组成进行分析预测;测定获得了纳米晶合金化合物的磁性能及力学性能。
　　 采用磁悬浮熔炼和随后高温退火的方法首先制备出单相SmCo2、Sm2Co7粗晶合金,再利用高能球磨工艺获得SmCo2、Sm2Co7非晶态合金粉末,然后利用放电等离子烧结制备得到纳米晶结构的SmCo2、Sm2Co7合金块体材料。
　　 利用XRD、TEM、SAED、NBED等方法分析了制备的SmCo2、Sm2Co7纳米晶合金的显微组织、晶体结构和相组成等特征。结果表明制备的纳米晶合金晶粒尺寸细小,分布均匀,晶体结构与同种成分的粗晶合金相同;SmCo2纳米晶合金在室温下不能以单相的形式存在,而是具有以SmCo2为主相、少量SmCo3和Sm9Co4多相共存的相组成;Sm2Co7纳米晶合金在室温下以单相形式稳定存在。
　　 对制备的SmCo2、Sm2Co7纳米晶合金分别进行了磁性能和力学性能测试。结果表明,与同种成分的粗晶合金相比,纳米晶合金表现出明显的永磁特性,且具有良好的综合磁性能;SmCo2、Sm2Co7纳米晶合金的显微硬度和弹性模量分别达到10.877 Gpa、12.377 Gpa和110.499 Gpa、135.977 Gpa。
　　 结合纳米晶合金热力学计算分别阐释了粗晶合金和纳米晶合金的相稳定性及其转变规律。模型计算表明,由于纳米晶合金体系Gibbs自由能的纳米尺度效应,SmCo2纳米晶合金在室温下不能以单相的形式存在,而分解成SmCo3和Sm9Co4:Sm2Co7纳米晶合金的两种晶体结构发生转变不仅与温度有关,而且与晶粒尺寸有关,在室温下发生相变的临界晶粒尺寸为24 nm,即当晶粒尺寸小于24nm时,α-Sm2Co7将向β-Sm2Co7转变。
　　 本文的研究为纳米尺度下Sm-Co合金化合物的结构和性能数据库提供了重要的基础数据,而且为新型纳米稀土功能材料的研发提供了具有重要意义的科学指导。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 稀土功能材料概述

1.2 Sm-Co合金化合物的研究状况

1.2.1 Sm-Co合金化合物的发展概述

1.2.2 富Co稳定相Sm-Co合金化合物的研究

1.2.3 富Co亚稳相Sm-Co合金化合物的研究

1.2.4 低Co型Sm-Co合金化合物的研究

1.3 纳米晶Sm-Co合金化合物的研究状况

1.3.1 纳米晶合金有关制备方法

1.3.2 纳米晶Sm-Co合金化合物的有关研究报道

1.4 本课题的研究意义和主要研究内容

第2章 研究方案与实验方法

2.1 实验用原材料

2.2 材料制备路线及工艺

2.2.1 实验工艺路线

2.2.2 单相母合金的制备

2.2.3 非晶合金粉末的制备

2.2.4 纳米晶合金化合物的制备

2.3 试样组织结构分析与性能测定

2.3.1 密度和相对密度的测定

2.3.2 X射线衍射分析

2.3.3 热分析

2.3.4 透射电子显微镜观测和纳米电子束衍射观测分析

2.3.5 磁性能测试

2.3.6 力学性能测试

第3章 名义成分SmCo2纳米晶合金化合物的制备与表征

3.1 名义成分SmCo2纳米晶合金化合物的制备

3.1.1 SmCo2粗晶合金的制备

3.1.2 SmCo2非晶态合金粉末的制备

3.1.3 名义成分SmCo2纳米晶合金化合物的制备

3.2 名义成分SmCo2纳米晶合金化合物的结构表征

3.2.1 显微组织观测与分析

3.2.2 局部微区的纳米电子束衍射(NBED)分析

3.2.3 SmCo2纳米晶合金化合物的晶体结构模型

3.3 名义成分SmCo2纳米晶合金化合物的性能

3.3.1 名义成分SmCo2纳米晶合金化合物的磁性能分析

3.3.2 名义成分SmCo2纳米晶合金化合物的力学性能分析

3.4 名义成分SmCo2纳米晶合金化合物基础特性的总结与讨论

3.5 本章小结

第4章 Sm2Co7纳米晶合金化合物的制备与表征

4.1 Sm2Co7纳米晶合金化合物的制备

4.1.1 Sm2Co7粗晶合金化合物的制备

4.1.2 Sm2Co7非晶态合金粉末的制备

4.1.3 Sm2Co7纳米晶合金化合物的制备

4.2 Sm2Co7纳米晶合金化合物的结构表征

4.2.1 显微组织观测与分析

4.2.2 局部微区的纳米电子束衍射(NBED)分析

4.2.3 Sm2Co7纳米晶合金化合物的晶体结构模型

4.3 Sm2Co7纳米晶合金化合物的性能分析

4.3.1 Sm2Co7纳米晶合金化合物的磁性能分析

4.3.2 Sm2Co7纳米晶合金化合物的力学性能分析

4.3.3 Sm2Co7纳米晶合金化合物的热稳定性研究

4.4 Sm2Co7纳米晶合金化合物基础特性的总结与讨论

4.5 本章小结

第5章 SmCo2和Sm2Co7纳米晶合金化合物的相稳定性分析

5.1 纳米晶合金的热力学模型简介

5.2 名义成分SmCo2纳米晶合金化合物相稳定性的计算与分析

5.3 Sm2Co7纳米晶合金化合物相稳定性的计算与分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢