高磁晶各向异性合成及其矫顽力研究

摘要

永磁材料的磁性能由其本征磁性能和显微组织共同决定，而高磁晶各向异性是获得高矫顽力的关键，要想把材料的本征磁性能转化为有效的永磁性能，需要根据材料特性引入不同的矫顽力机理。实验室获得的烧结钕铁硼磁能积已经达到理论值的93％以上，但是矫顽力和磁晶各向异性场之间还存在较大差距，采用传统烧结法制备的Nd2Fe14B永磁合金块体晶粒尺寸在微米范围，远大于Nd2Fe14B合金的单磁畴尺寸。通过细化晶粒的方法可以进一步提高稀土永磁的矫顽力。此外，理论和实验都证明，在过渡族金属合金中也可以获得高磁晶各向异性，然而人们对于过渡族金属合金永磁性能的研究还不够系统，实际获得的磁能积与理论磁能积还存在较大差距。本论文以(Nd，Pr)2Fe14B，MnAl和(Fe，Co)2B三个合金体系为研究对象，探索了合金显微组织与磁性能之间的关系，主要研究内容如下:
　　在稀土铁基块体非晶合金的研究基础上，利用铜模喷铸快速冷却Nd7Pr4Fe63Nb3B23合金，经过适当的热处理后，得到纳米晶永磁体，并研究其矫顽力机制。该合金由(Nd，Pr)2Fe14B和(Nd，Pr)1.1Fe4B4两相结构组成，其中，硬磁性的(Nd，Pr)2Fe14B颗粒分布在顺磁性相(Nd，Pr)1.1Fe4B4组成的基体中。(Nd，Pr)2Fe14B颗粒表现出单畴磁化行为和退磁特性，颗粒之间的交换耦合被顺磁性相弱化，最终得到良好的永磁性能，矫顽力高达1.7T。
　　采用球磨法制备了Mn53.3Al45C1.7永磁合金，研究其显微结构与磁性能的关系。采用铁磁相τ-MnAl作为初始相进行球磨，得到具有磁各向异性的片状粉末，且易磁化方向位于面内。合金的矫顽力随球磨时间的延长而增大，但由于球磨过程降低了τ-MnAl铁磁性相的原子有序度，导致磁化强度降低。经过适当的热处理，可以提高τ-MnAl相的原子有序度，从而提高磁性能，然而，球磨过程降低了τ-MnAl的稳定性，导致部分τ-MnAl在后续的热处理过程中发生分解。合金在球磨5小时并在773K热处理30min后获得最优磁性能:Mr=55 Am2kg-1，μ0iHc=0.28T,(BH)max=2.05 MGOe。此外，还研究了Ni元素和Ti元素的添加对合金磁性能的影响。在Mn52.8Al45C1.7Ti0.5成分处球磨6个小时获得最优磁性能:(BH)max=2.11MGOe，Mr=51 Am2kg-1，μ0iHc=0.37 T。将球磨得到的Mn53.3Al45C1.7片状粉末进行热压和热变形，得到磁各向异性的永磁合金，易磁化方向与压力方向垂直。
　　通过制备单晶体研究了(Fe1-xCox)2B(x=0.20，0.25，0.30，0.35)合金在10K-1000K温度范围内的本征磁性能，包括磁晶各向异性常数，自发磁化强度和居里温度随成分的变化。(Fe0.75Co0.25)2B合金在所有温度范围内显示最高磁晶各向异性，室温时，K1=450 kJ/m3，Ms=148 Am2kg-1。尝试了不同球磨工艺对合金磁性能的影响，在干磨条件下，当(Fe0.75Co0.25)2B合金颗粒破碎到5μm时颗粒间的冷焊过程开始占主导作用，颗粒尺寸难以继续细化。湿法球磨可以避免颗粒之间的冷焊，将球磨颗粒尺寸降到2μm。最终在球磨合金中得到矫顽力为0.036 T。
　　采用Mn53.3Al45C1.7合金作为硬磁相，(Fe0.75Co0.25)2B合金作为半硬磁相，通过球磨法制备了Mn53.3Al45C1.7/(Fe0.75Co0.25)2B两相复合结构，研究了球磨时间和(Fe0.75Co0.25)2B合金含量对复合体系磁性能的影响。当(Fe0.75Co0.25)2B合金含量为5 wt.％到20 wt.％时，球磨粉末表现出平滑的磁滞回线，说明两相之间存在一定程度耦合。然而由于球磨过程会降低Mn53.3Al45C1.7合金中τ-MnAl的稳定性，导致τ-MnAl在后续的热处理过程中发生分解，不利于两相之间实现理想的交换耦合。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 永磁材料概述

1．2 永磁材料发展历程

1．3 永磁材料矫顽力机理

1．3．1 形核机制

1．3．2 钉扎机制

1．4 Nd2Fe14B永磁体研究现状

1．4．1 Nd2Fe14B晶体结构及本征磁性能

1．4．2 Nd2Fe14B永磁体制备方法

1．5 过渡族合金永磁材料研究现状

1．5．1 MnAl合金

1．5．2 MnBi合金

1．6 本论文研究目的及研究内容

第二章 铜模喷铸法制备稀土铁基永磁体的研究

2．1 引言

2．2 实验方法

2．2．1 母合金熔炼

2．2．2 铜模喷铸

2．2．3 高温热处理

2．2．4 力学性能测试

2．2．5 磁性能测试

2．2．6 热力学分析

2．2．7 显微组织分析

2．3 (Fe72Mo4B24)100-xTbk非晶合金及其热处理

2．3．1 非晶合金结构分析

2．3．2 热力学分析

2．3．3 力学性能

2．3．4 磁学性能

2．3．5 (Fe72Mo4B24)95Tb5非晶合金热处理

2．4 Nd7Pr4Fe63Nb3B23块体永磁合金

2．4．1 喷铸状态显微结构与磁性能

2．4．2 热处理后显微组织与磁性能

2．4 本章小结

第三章 机械球磨法制备Mn-Al-C合金及其性能研究

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 Mn-Al-C合金铸锭的制备

3．2．2 Mn-Al-C合金铸锭的热处理

3．2．3 Mn-Al-C合金的球磨

3．2．4 热压／热变形

3．2．5 结构与性能表征

3．3 Mn53．3Al45C1．7合金球磨研究

3．3．1 Mn53．3Al45C1．7合金ε→τ相转变过程研究

3．3．2 Mn53．3Al45C1．7球磨粉末形貌

3．3．3 Mn53．3Al45C1．7球磨粉末结构与磁性能

3．3．4 Mn53．3Al45C1．7球磨粉末热处理结构与性能变化

3．3．5 Mn53．3Al45C1．7球磨粉末的各向异性

3．4 Mn52．95Al45C1．7Ni0．35合金球磨研究

3．4．1 Mn52．95Al45C1．7Ni0．35合金ε→τ相转变过程研究

3．4．2 Mn52．95Al45C1．7Ni0．35合金球磨形貌的变化

3．4．3 Mn52．95Al45C1．7Ni0．35球磨粉末结构与磁性能的变化

3．4．4 Mn52．95Al45C1．7Ni0．35球磨粉末热处理结构与性能变化

3．5 Mn53．3-xAl45C1．7Tix合金球磨研究

3．5．1 Mn53．3-xAl45C1．7Tix快淬合金结构与磁性能

3．5．2 Mn53．3-xAl45C1．7Tix合金球磨形貌的变化

3．5．3 Mn53．3-xAl45C1．7Tix球磨粉末结构

3．5．4 Mn53．3-xAl45C1．7Tix球磨粉末热处理结构与性能变化

3．6 Mn53．3Al45C1．7热压热变形磁体

3．6．1 Mn53．3Al45C1．7热压磁体结构与磁性能

3．6．2 Mn53．3Al45C1．7热变形磁体结构与磁性能

3．7 本章小结

第四章 (Fe，Co)2B合金本征磁学性能研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 (Fe，Co)2B单晶体制备

4．2．2 劳厄衍射

4．2．3 机械球磨

4．2．4 粉末热处理

4．2．5 磁性能测试

4．2．6 XRD测试

4．2．7 扫描电镜表征

4．3 (Fe，Co)2B单晶体本征磁性能

4．3．1 (Fe，Co)2B合金结构

4．3．2 (Fe，Co)2B单晶磁晶各向异性

4．3．3 (Fe，Co)2B合金自发磁化强度

4．4 (Fe0．75Co0．25)2B合金机械球磨

4．4．1 球磨时间对结构和形貌的影响

4．4．2 热处理对球磨粉末磁性能和结构的影响

4．4．3 球磨介质对合金形貌及性能的影响

4．5 本章小结

第五章 Mn-Al-C／(Fe，Co)2B复合材料的研究

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．1 Mn53．3Al45C1．7合金粉末的制备

5．2．2 (Fe0．75Co0．25)2B合金粉末的制备

5．2．3 Mn53．3Al45C1．7／(Fe0．75Co0．25)2B复合材料的制备

5．2．4 Mn53．3Al45C1．7／(Fe0．75Co0．25)2B粉末热处理

5．2．5 热压／热变形

5．2．6 磁性能测试

5．2．7 XRD测试

5．2．8 SEM测试

5．3 Mn53．3Al45C1．7／(Fe0．75Co0．25)2B球磨粉末结构与性能

5．3．1 Mn53．3Al45C1．7／(Fe0．75Co0．25)2B球磨形貌与结构变化

5．3．2 热处理对复合磁体结构及性能的影响

5．3．3 (Fe0．75Co0．25)2B含量对复合材料性能的影响

5．4 Mn53．3Al45C1．7／(Fe0．75Co0．25)2B复合粉末热压／热变形

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果