發(fā)布時間：2020-11-19 21:26

　　 第三代稀土永磁材料——Nd-Fe-B永磁體因其無與比擬的高的磁能積目前已被工業(yè)上廣泛應用,Nd-Fe-B永磁體高的磁能積滿足了設備輕量化、小型化的發(fā)展需求。近年來,電動/混和動力汽車等綠色交通工具、風力發(fā)電等新能源產(chǎn)業(yè)、高效變頻空調(diào)壓縮機等領域的快速發(fā)展對高矯頑力燒結Nd-Fe-B磁體的需求不斷增加。目前,工業(yè)上高矯頑力燒結Nd-Fe-B磁體的制備都是通過在原料中利用重稀土元素Dy對輕稀土元素Nd的替換加入來實現(xiàn)的。Dy對Nd的替換一方面大大增加了Nd-Fe-B磁體的原料成本,另一方面,由于Dy原子和Fe原子的原子磁矩的反平行耦合,Dy的加入也降低了磁體的剩磁,進而犧牲了磁體的部分磁能積。發(fā)展低Dy或無Dy的高矯頑力Nd-Fe-B磁體已成為近年該領域的研究熱點。燒結Nd-Fe-B磁體的晶界擴散技術是近年來提出的一種集約化利用重稀土元素Dy制備高矯頑力Nd-Fe-B磁體的新方法,該技術可以在提升磁體矯頑力的同時并保持磁體高的剩磁。本文重點研究了兩類富稀土元素低熔點共晶合金晶界擴散對燒結Nd-Fe-B磁體微觀組織及磁性能的影響。一類為輕稀土元素低熔點共晶合金Nd_(70)Cu_(30),另一類是重稀土元素共晶合金Dy_(70)Cu_(30)和Dy_(60)Co_(40)。此外,本文還研究了燒結Nd-Fe-B磁體退火過程冷卻速度對磁性能的影響及磁體表面損傷層的磁學特征。本文的主要研究結論如下:Nd_(70)Cu_(30)共晶合金在燒結Nd-Fe-B磁體中晶界擴散的擴散動力不足,晶界擴散的深度較淺,擴散后富Nd相在晶粒邊界的分布不均勻,擴散后的磁體矯頑力提升有限,并且擴散后磁體退磁曲線的方形度較低。在擴散過程中施加壓力可以大大增加Nd_(70)Cu_(30)共晶合金的擴散深度及擴散后晶界富Nd相的分布均勻性,進而使得擴散后的磁體矯頑力大大提高,并且使磁體的退磁曲線保持較高的方形度。微觀組織分析表明,壓力作用下沿著晶粒邊界產(chǎn)生的微觀裂紋成為熔化Nd_(70)Cu_(30)合金的有益擴散通道。此外,壓力的施加也增加了Nd_(70)Cu_(30)合金擴散滲透的毛細作用力。在相同的壓力作用下,平行c軸加壓晶界擴散的效果優(yōu)于垂直于c軸的加壓擴散效果,這是因為在750℃的擴散溫度下,相同的壓力大小使得平行于c軸施加壓力產(chǎn)生的彈性應變能高于垂直于c軸施加壓力產(chǎn)生的彈性應變能,高的彈性應變能更有利于產(chǎn)生作為擴散通道的微觀裂紋。由于Dy_2Fe_(14)B的形成能(-7.721 eV/unit)遠低于Nd_2Fe_(14)B的形成能(-3.486eV/unit),共晶合金Dy_(70)Cu_(30)和Dy_(60)Co_(40)在燒結Nd-Fe-B磁體中具有大的擴散驅(qū)動力。利用Dy_(70)Cu_(30)共晶合金沿著c軸晶界擴散后的Nd-Fe-B磁體的退磁曲線的方形度(0.92)優(yōu)于垂直于c軸擴散后的磁體的退磁曲線的方形度(0.83)。我們將N52和N40兩種不同矯頑力的燒結Nd-Fe-B磁體通過真空熱壓擴散焊制備出兩個不同矯頑力分布梯度方向的復合Nd-Fe-B磁體,不同矯頑力分布梯度方向的復合Nd-Fe-B磁體的退磁特征差異類似于Dy_(70)Cu_(30)沿著不同方向晶界擴散后的磁體退磁曲線的特征差異。該實驗結果表明,晶界擴散后燒結Nd-Fe-B磁體的退磁曲線的方形度依賴于磁體的矯頑力分布梯度方向與Nd-Fe-B磁體c軸的取向關系。利用微磁學模擬(OOMMF)從理論上對這一結論作了進一步的證明,矯頑力分布梯度平行于c軸的磁體的最初退磁增加了磁體的靜磁能,矯頑力分布梯度垂直于c軸的磁體的最初退磁降低了磁體的靜磁能。這使得矯頑力梯度方向平行于c軸的磁體的最初的退磁要克服更高的能壘,從而使沿著c軸晶界擴散處理的磁體的臨界退磁場高于垂直于c軸晶界擴散處理的磁體。該研究結果從另一方面解釋了之前文獻中關于燒結Nd-Fe-B磁體沿著不同的方向晶界擴散后磁體退磁曲線方形度不同的原因。從該研究結果還可以進一步得出:沿著燒結Nd-Fe-B磁體的c軸方向晶界擴散對重稀土元素Dy的利用效率高于垂直于c軸晶界擴散對Dy的利用效率,這為集約化利用重稀土元素晶界擴散燒結Nd-Fe-B磁體提供了理論指導。Dy_(60)Co_(40)共晶合金對燒結Nd-Fe-B磁體晶界擴散后,在Nd_2Fe_(14)B晶粒邊界能夠同時形成富Dy和富Co的復合殼狀結構。晶粒邊界富Dy的殼狀結構增加了Nd-Fe-B磁體反向磁疇的臨界形核場,進而提升了磁體的矯頑力;晶粒邊界富Co的殼層與晶粒內(nèi)部的耦合作用提高了磁體剩磁的溫度穩(wěn)定性,在25℃到177℃這一溫度區(qū)間,磁體的剩磁溫度系數(shù)由退火態(tài)的-0.140%/°C降低到擴散后的-0.095%/°C,剩磁穩(wěn)定性的提高使得擴散后磁體的高溫剩磁高于未經(jīng)擴散處理的退火態(tài)磁體的高溫剩磁。然而,和未擴散的退火態(tài)的磁體的居里溫度(318℃)相比,Dy_(60)Co_(40)共晶合金晶界擴散后的磁體的居里溫度(320℃)僅提升2℃,由此說明,居里溫度不是決定Nd-Fe-B磁體剩磁穩(wěn)定性的唯一因素。該實驗結果為制備高溫下應用兼具高剩磁和高矯頑力的Nd-Fe-B磁體提供了新的思路。燒結Nd-Fe-B磁體高溫退火后快速冷卻會增加磁體的內(nèi)應力,從而降低了磁體矯頑力,低溫退火后的冷卻速度對磁性能基本沒有影響。由于燒結Nd-Fe-B磁體的表面損傷和氧化,燒結Nd-Fe-B磁體表層晶粒的矯頑力遠低于磁體內(nèi)部的矯頑力。對于小尺寸的燒結Nd-Fe-B磁體,增加磁體的比表面積會大大降低磁體的方形度和磁能積,而比表面積對磁體的矯頑力和剩磁沒有影響。本文利用磁光克爾效應直接測量了燒結Nd-Fe-B磁體的平行于c軸表面的矯頑力,在遠低于磁體矯頑力的周期磁場下即可得到磁體表面晶粒的磁滯回線,燒結Nd-Fe-B磁體的表面矯頑力約為磁體整體矯頑力的十分之一。
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM273;TG146.45
【部分圖文】：

世使永磁材料進入了稀土永磁材料的時代，開啟了永磁材料發(fā)展的新紀七十年代，人們在第一代稀土SmCo5永磁材料的基礎上開發(fā)出了S料，Sm2Co17被稱為第二代稀土永磁材料。與之前的永磁材料相比，稀磁體的磁能積大幅提升，綜合磁性能更加優(yōu)異。但是，其主要的組成稀土金屬 Sm 和昂貴、稀缺的戰(zhàn)略金屬 Co，原料成本較高，限制了的普及應用。目前，Sm-Co 永磁體主要用于軍事工業(yè)、航天電機等穩(wěn)定性要求較高的高科技領域。十世紀八十年代，日本的住友特殊金屬株式會社的佐川真人等在實末冶金的方法制備出了磁能積為 400 kJ/m3的各向異性的釹鐵硼(N幾乎在同一時期，美國的通用汽車公司利用甩帶法制備了各向同性磁體。他們的研究成果均在 1983 年匹茲堡舉辦的磁性材料國際會議，從此掀開了永磁材料發(fā)展的新篇章。與傳統(tǒng)的永磁材料相比，Nd-具有傳統(tǒng)永磁材料無與比擬的高的磁能積，Nd-Fe-B 永磁材料為第材料，被冠以“磁王”的美譽，圖 1-1 總結了二十世紀永磁材料磁能積過程[6]。

對于器件的小型化，輕量化發(fā)展意義重大。二十世能積就翻一番，但是進入二十一世紀以來尚且沒有的新的永磁材料的出現(xiàn)。稀土 Nd-Fe-B 永磁體目的代表，目前，其市場份額超過所有其它類型的永磁體問世三十多年以來，一直是學術界和工業(yè)界研Nd-Fe-B 永磁材料主要有燒結 Nd-Fe-B 永磁體、粘結形環(huán)形 Nd-Fe-B 永磁體三大類[7-10]。2005 年日立m3的燒結態(tài) Nd-Fe-B 磁體，該磁能積為 Nd-Fe-B 磁為止報道的磁能積最高的永磁體。該磁體的剩磁高積分數(shù) 0.982，取向度 0.991[11]。-Fe-B 磁體的微觀組織特征e-B 磁體優(yōu)異的永磁性能源于其特殊的微觀組織結明，燒結 Nd-Fe-B 磁體一般由 Nd2Fe14B 基體相，12-15]。燒結 Nd-Fe-B 磁體的微觀組織結構示意圖如

通大學博士學位論文 第一章 緒參數(shù)為 a=b=0.882nm，c=1.219nm。圖 1-3 給出了各原子的占位信息及利用標繪制出的晶胞結構示意圖[16]，一個 Nd2Fe14B 晶胞內(nèi)含有 68 個原子，其Nd 原子，56 個 Fe 原子，4 個 B 原子。其中，Nd 原子有 2 個不同的原子Fe 原子有 6 個不同的原子占位，B 原子僅有 1 個原子占位。從圖 1-3 可以所有的 Nd 原子和 B 原子分布在 z=0 和 z=0.5 的坐標面上，而在這兩個面 4 個 Fe 原子 Fe(c)分布，其余的 Fe 原子分布在這兩個面之間形成密排的網(wǎng)。該層狀結構類似于 Fe-Cr 和 Fe-Mo 合金中的 σ 相[17]，相鄰的 Fe 原子間在 0.24 nm 到 0.28 nm 之間。此外，B 原子和 Fe 原子形成三棱柱結構，B于棱柱的中心。在實際的Nd2Fe14B化合物中，由于可能存在原子置換和空位e14B 相中原子比 Nd/Fe 介于 5.2～7.4 之間。其熔點是 1185℃，c 軸是其易向，其居里溫度 585 K[18]。
【參考文獻】

相關博士學位論文 前1條

1 徐芳;晶界結構和晶界化學對NdFeB材料矯頑力的影響[D];上海交通大學;2011年

相關碩士學位論文 前1條

1 尹媛;軟磁薄膜磁化過程的微磁學模擬及高頻磁性的研究[D];南京理工大學;2015年

本文編號：2890464