高磁晶各向异性合成及其矫顽力研究

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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。
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