第三代稀土永磁材料——Nd-Fe-B永磁體因其無(wú)與比擬的高的磁能積目前已被工業(yè)上廣泛應(yīng)用,Nd-Fe-B永磁體高的磁能積滿足了設(shè)備輕量化、小型化的發(fā)展需求。近年來(lái),電動(dòng)/混和動(dòng)力汽車(chē)等綠色交通工具、風(fēng)力發(fā)電等新能源產(chǎn)業(yè)、高效變頻空調(diào)壓縮機(jī)等領(lǐng)域的快速發(fā)展對(duì)高矯頑力燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的需求不斷增加。目前,工業(yè)上高矯頑力燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的制備都是通過(guò)在原料中利用重稀土元素Dy對(duì)輕稀土元素Nd的替換加入來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Dy對(duì)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(jìn)而犧牲了磁體的部分磁能積。發(fā)展低Dy或無(wú)Dy的高矯頑力Nd-Fe-B磁體已成為近年該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的晶界擴(kuò)散技術(shù)是近年來(lái)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(shù)可以在提升磁體矯頑力的同時(shí)并保持磁體高的剩磁。本文重點(diǎn)研究了兩類富稀土元素低熔點(diǎn)共晶合金晶界擴(kuò)散對(duì)燒結(jié)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(diǎn)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(jié)Nd-Fe-B磁體退火過(guò)程冷卻速度對(duì)磁性能的影響及磁體表面損傷層的磁學(xué)特征。本文的主要研究結(jié)論如下:Nd_(70)Cu_(30)共晶合金在燒結(jié)Nd-Fe-B磁體中晶界擴(kuò)散的擴(kuò)散動(dòng)力不足,晶界擴(kuò)散的深度較淺,擴(kuò)散后富Nd相在晶粒邊界的分布不均勻,擴(kuò)散后的磁體矯頑力提升有限,并且擴(kuò)散后磁體退磁曲線的方形度較低。在擴(kuò)散過(guò)程中施加壓力可以大大增加Nd_(70)Cu_(30)共晶合金的擴(kuò)散深度及擴(kuò)散后晶界富Nd相的分布均勻性,進(jìn)而使得擴(kuò)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(kuò)散通道。此外,壓力的施加也增加了Nd_(70)Cu_(30)合金擴(kuò)散滲透的毛細(xì)作用力。在相同的壓力作用下,平行c軸加壓晶界擴(kuò)散的效果優(yōu)于垂直于c軸的加壓擴(kuò)散效果,這是因?yàn)樵?50℃的擴(kuò)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(yīng)變能高于垂直于c軸施加壓力產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能,高的彈性應(yīng)變能更有利于產(chǎn)生作為擴(kuò)散通道的微觀裂紋。由于Dy_2Fe_(14)B的形成能(-7.721 eV/unit)遠(yuǎn)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(jié)Nd-Fe-B磁體中具有大的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力。利用Dy_(70)Cu_(30)共晶合金沿著c軸晶界擴(kuò)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(kuò)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(jié)Nd-Fe-B磁體通過(guò)真空熱壓擴(kuò)散焊制備出兩個(gè)不同矯頑力分布梯度方向的復(fù)合Nd-Fe-B磁體,不同矯頑力分布梯度方向的復(fù)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(kuò)散后的磁體退磁曲線的特征差異。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,晶界擴(kuò)散后燒結(jié)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(guān)系。利用微磁學(xué)模擬(OOMMF)從理論上對(duì)這一結(jié)論作了進(jìn)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(kuò)散處理的磁體的臨界退磁場(chǎng)高于垂直于c軸晶界擴(kuò)散處理的磁體。該研究結(jié)果從另一方面解釋了之前文獻(xiàn)中關(guān)于燒結(jié)Nd-Fe-B磁體沿著不同的方向晶界擴(kuò)散后磁體退磁曲線方形度不同的原因。從該研究結(jié)果還可以進(jìn)一步得出:沿著燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的c軸方向晶界擴(kuò)散對(duì)重稀土元素Dy的利用效率高于垂直于c軸晶界擴(kuò)散對(duì)Dy的利用效率,這為集約化利用重稀土元素晶界擴(kuò)散燒結(jié)Nd-Fe-B磁體提供了理論指導(dǎo)。Dy_(60)Co_(40)共晶合金對(duì)燒結(jié)Nd-Fe-B磁體晶界擴(kuò)散后,在Nd_2Fe_(14)B晶粒邊界能夠同時(shí)形成富Dy和富Co的復(fù)合殼狀結(jié)構(gòu)。晶粒邊界富Dy的殼狀結(jié)構(gòu)增加了Nd-Fe-B磁體反向磁疇的臨界形核場(chǎng),進(jìn)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(kuò)散后的-0.095%/°C,剩磁穩(wěn)定性的提高使得擴(kuò)散后磁體的高溫剩磁高于未經(jīng)擴(kuò)散處理的退火態(tài)磁體的高溫剩磁。然而,和未擴(kuò)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(kuò)散后的磁體的居里溫度(320℃)僅提升2℃,由此說(shuō)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(shí)驗(yàn)結(jié)果為制備高溫下應(yīng)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(jié)Nd-Fe-B磁體高溫退火后快速冷卻會(huì)增加磁體的內(nèi)應(yīng)力,從而降低了磁體矯頑力,低溫退火后的冷卻速度對(duì)磁性能基本沒(méi)有影響。由于燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的表面損傷和氧化,燒結(jié)Nd-Fe-B磁體表層晶粒的矯頑力遠(yuǎn)低于磁體內(nèi)部的矯頑力。對(duì)于小尺寸的燒結(jié)Nd-Fe-B磁體,增加磁體的比表面積會(huì)大大降低磁體的方形度和磁能積,而比表面積對(duì)磁體的矯頑力和剩磁沒(méi)有影響。本文利用磁光克爾效應(yīng)直接測(cè)量了燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的平行于c軸表面的矯頑力,在遠(yuǎn)低于磁體矯頑力的周期磁場(chǎng)下即可得到磁體表面晶粒的磁滯回線,燒結(jié)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(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM273;TG146.45
【部分圖文】：

世使永磁材料進(jìn)入了稀土永磁材料的時(shí)代，開(kāi)啟了永磁材料發(fā)展的新紀(jì)七十年代，人們?cè)诘谝淮⊥罶mCo5永磁材料的基礎(chǔ)上開(kāi)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(yīng)用。目前，Sm-Co 永磁體主要用于軍事工業(yè)、航天電機(jī)等穩(wěn)定性要求較高的高科技領(lǐng)域。十世紀(jì)八十年代，日本的住友特殊金屬株式會(huì)社的佐川真人等在實(shí)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(shí)期，美國(guó)的通用汽車(chē)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(guó)際會(huì)議，從此掀開(kāi)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(wú)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(yù)，圖 1-1 總結(jié)了二十世紀(jì)永磁材料磁能積過(guò)程[6]。

對(duì)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(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)尚且沒(méi)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(chǎng)份額超過(guò)所有其它類型的永磁體問(wèn)世三十多年以來(lái)，一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研Nd-Fe-B 永磁材料主要有燒結(jié) Nd-Fe-B 永磁體、粘結(jié)形環(huán)形 Nd-Fe-B 永磁體三大類[7-10]。2005 年日立m3的燒結(jié)態(tài) Nd-Fe-B 磁體，該磁能積為 Nd-Fe-B 磁為止報(bào)道的磁能積最高的永磁體。該磁體的剩磁高積分?jǐn)?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(jié)明，燒結(jié) Nd-Fe-B 磁體一般由 Nd2Fe14B 基體相，12-15]。燒結(jié) Nd-Fe-B 磁體的微觀組織結(jié)構(gòu)示意圖如

通大學(xué)博士學(xué)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(biāo)繪制出的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖[16]，一個(gè) Nd2Fe14B 晶胞內(nèi)含有 68 個(gè)原子，其Nd 原子，56 個(gè) Fe 原子，4 個(gè) B 原子。其中，Nd 原子有 2 個(gè)不同的原子Fe 原子有 6 個(gè)不同的原子占位，B 原子僅有 1 個(gè)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(biāo)面上，而在這兩個(gè)面 4 個(gè) Fe 原子 Fe(c)分布，其余的 Fe 原子分布在這兩個(gè)面之間形成密排的網(wǎng)。該層狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，B于棱柱的中心。在實(shí)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(diǎn)是 1185℃，c 軸是其易向，其居里溫度 585 K[18]。
【參考文獻(xiàn)】

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1 徐芳;晶界結(jié)構(gòu)和晶界化學(xué)對(duì)NdFeB材料矯頑力的影響[D];上海交通大學(xué);2011年

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

本文編號(hào)：2890464