NdFeB/α-Fe纳米晶双相复合永磁体的制备新工艺及其性能结构的优化研究

摘要

纳米双相复合永磁材料是利用硬磁相的高磁晶各向异性和软磁相的高饱和磁化强度的优点，通过纳米尺度下两相晶粒间的铁磁交换耦合作用来获得优异的磁性能。由于其稀土含量少，价格便宜，抗蚀性好，使用温度高等特点，具有潜在的开发应用前景，有望发展为新一代高性能稀土永磁材料。采用传统烧结方法难以克服在烧结致密化的基础上晶粒粗化的问题，因而制得的复合磁体的性能较低。为了获得两相均匀分布的纳米结构，提高铁磁交换耦合作用，本文采用超声化学.非均相沉淀法，制备出Nd2Fe14B/Fe纳米复合磁粉，然后采用放电等离子烧结技术进行快速致密化制备出块状纳米双相复合磁体。主要研究了超声化学制备包覆磁粉的最佳工艺条件、Nd2Fe14B/Fe纳米复合磁粉微观结构和形貌，以及烧结工艺、硬磁相粒径、氧含量、软磁相含量对烧结磁体的组织和性能的影响。针对不同烧结模具的特点来进一步优化调整SPS烧结工艺，分析研究了二次烧结相比一次烧结对磁体结构性能的影响。 采用SEM、TEM、XRD等分析方法对超声化学制备纳米Fe颗粒以及制备包覆型纳米复合磁粉和超声化学包覆机理进行了研究。采用超声化学反应时间为2h，反应功率为180w条件下制备出多组软硬磁性相均匀分布的Nd2Fe14B/Fe双相纳米复合磁粉，Fe在复合磁粉中的名义质量分数分别为：1～25wt％。通过改变Fe(CO)5的加入量可以调整包覆层的厚度和均匀性。随着Fe(CO)5的加入量的增加，即名义质量分数的提高，NdFeB颗粒表面包覆上的Fe的量明显增加。在名义质量分数为20wt％ Fe反应后包覆层较为密实、均匀。实验发现包覆过程中硬磁颗粒越小其表面积越大，有利于其在溶液中均匀分散，就越有利于软磁相在其表面的规则均匀性包覆；但是同时表面积越大，颗粒表面的氧化就越严重，这对磁体磁性能将会产生较大危害。综合硬磁相颗粒大小及氧含量对包覆效果和磁体性能的影响，硬磁相的颗粒度选择在50～75μm范围内。 采用SEM、XRD、B-H回线仪，IRO-I定氧仪对Nd-Fe-B单相磁体和包覆后Nd-Fe-B/α-Fe双相复合磁体进行了研究。研究表明在烧结温度为903K，压力400MPa条件下，单相磁体能够获得高的致密度，磁体密度为7.60g/m3(相对密度98.4％)，该条件下烧结单相磁体具有最佳综合磁性能，(BH)max=131.52kJ/m3(16.44MGOe)，Br=0.90T。对原料磁粉、单相烧结磁体及双相复合磁体中的氧含量测定表明，发现磁体中的氧一部分是由原料磁粉所带入的，另外一部分主要是在超声化学包覆过程中带入的，超声包覆过程中纳米Fe颗粒的生成量的增加会造成复合磁粉中吸附的氧的增加。同时研究发现双相复合磁体中纳米Fe大部分分布在NdFeB颗粒间界，其厚度大约在100～300nm，但磁体中的Fe含量与理论计算的质量分数相差较远，其主要原因是Fe(CO)5分解时溶液中产生的Fe有一部分未能有效的包覆在NdFeB颗粒表面，这部分悬浮在介质中的纳米Fe颗粒在反复清洗溶液时会流失。不同名义Fe质量分数包覆的双相复合磁体的最大磁能积和剩磁随着软磁性相含量的增加呈现出先减小后增大再减小变化规律，而矫顽力则总体上趋于下降，在名义质量分数为15wt％ Fe包覆时双相复合磁体取得最佳磁性能，(BH)m=128.2 kJ/m3(16.1MGOe)，Br=0.92T，Hcj=607.35kA/m。 利用石墨模具导热性能好，温度可控性强，造价低等特点进行SPS烧结工艺优化调整。研究表明石墨模具最佳烧结速率为120K/min。在943K温度下SPS烧结单相NdFeB磁体的烧结温度磁体综合磁性能最佳：(BH)max=122.90kJ/m3(15.44M/GOe)，Br=0，86T，Hcj=1188.43kA/m。993K温度下烧结Nd2Fe14B/α-Fe复合双相磁体获得了最佳磁性能：(BH)max=82.94 kJ/m3(10.42MGOe)，Br=0.79T，Hcj=378.10 kA/m。Nd2Fe14B/α-Fe复合双相磁体二次烧结的整体磁性能较一次烧结所得磁体有了较大的提升，最大磁能积提高了近4MGOe，最佳磁性能为(BH)max=114.39kJ/m3(14.37MGOe)，Br=0.90T，Hcj=406.76 kA/m。在二次烧结工艺中矫顽力的下降趋势得到了很好的缓解，而剩磁的提高对磁性能的影响仍然是主导因素。二次烧结工艺确保样品完全烧结充分、致密，均匀合理的分布了内部软磁相硬磁相晶粒，降低了磁体晶粒的退磁因子Neff，避免了矫顽力的大幅下降，确保获得较为理想的磁性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1磁性材料概述

1.2稀土永磁材料发展历程

1.3纳米晶双相复合永磁材料

1.3.1纳米晶复合永磁材料产生背景

1.3.2纳米晶复合永磁材料的性能

1.3.3纳米晶复合永磁材料的作用机制

1.3.4纳米晶复合永磁材料发展概况和应用前景

1.4纳米晶双相复合永磁材料的制备工艺

1.4.1纳米晶双相复合粉体的制备

1.4.2块状纳米晶复合永磁体的制备

1.4.3各向异性双相复合磁体的制备

1.5本论文的选题意义及研究内容

第2章 实验方法与实验原理

2.1实验原料

2.2实验流程图

2.3实验方法

2.4实验原理

2.4.1超声化学原理

2.4.2放电等离子烧结原理

2.4.3 B-H回线仪

2.4.5 X射线衍射分析原理

2.4.6磁体密度测量原理

第3章超声化学法制备包覆型Nd2Fe14B/Fe复合双相磁粉

3.1超声化学反应制备纳米Fe工艺研究

3.1.1实验原料及设备

3.1.2实验过程

3.1.3超声工艺条件

3.1.4纳米Fe颗粒的物相结构

3.1.5纳米Fe颗粒的磁特性

3.1.6超声化学反应机理

3.2超声化学反应制备包覆型NdzFe14B/Fe双相复合磁粉

3.2.1实验原料及设备

3.2.2工艺过程

3.2.3粉体SEM图像

3.2.4 Fe(CO)5的加入量对包覆效果的影响

3.2.5超声化学包覆机理

3.3本章小节

第4章SPS制备Nd2Fe14B/α-Fe纳米晶双相复合磁体

4.1 SPS烧结工艺的研究

4.1.1烧结温度

4.1.2烧结压力

4.2硬磁相Nd2Fe14B粉末颗粒度的优化研究

4.3软磁相名义含量对Nd2Fe14B/α-Fe复合磁体性能结构的影响

4.3.1实验设计

4.3.2复合磁体的XRD图谱

4.3.3复合磁体的SEM图像

4.3.4复合磁体的磁性能

4.3.5氧的来源

4.4 SPS烧结工艺的优化

4.4.1 SPS升温速率对烧结样品的影响

4.4.2 SPS烧结温度对烧结样品的影响

4.4.3 SPS二次烧结工艺的研究

4.5本章小节

结 论

参考文献

攻读硕士期间所发表的学术论文

致 谢