高性能复合粘结Nd-Fe-B磁体的制备及其性能研究

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近年来受新能源汽车、风力发电、电子技术产品快速发展的影响,作为重要电子元器件的粘结磁体因具有成型快、成本低、形状自由度高等优点得到了市场的广泛关注。但现有粘结磁体存在耐温性差、耐腐蚀性差、力学性能低等性能短板,限制了其在高端领域的广泛应用。本文以开发高耐温性、高力学特性和高耐腐蚀性强的粘结剂为基础,制备了多种高性能粘结Nd-Fe-B磁体,并揭示了不同粘结剂的粘结机理及粘结磁体的性能增强机理。在传统粘结磁体制备工艺的基础上,探索研究了3D打印技术在制备粘结Nd-Fe-B磁体领域的应用,通过采用不同聚合物基粘结剂来调控适合3D打印的熔体粘度,从而实现高性能各向同性与各向异性磁体的3D打印。采用物理共混法和化学改性法制备了两种高性能环氧树脂(Epoxy,EP)/硅酸钠(Sodium Silicate,SS)复合粘结剂,研究了两种复合粘结剂对粘结钕铁硼磁体性能的增强作用。研究表明EP/SS物理复合粘结剂中EP优异的疏水性作用,使得相比单一SS粘结剂制备的磁体具有更好的防潮性。而SS的加入能有效增强EP粘结剂的耐热性、耐腐蚀性。因此,EP/SS物理复合粘结剂能够使得磁体的获得较好的综合性能。但由于EP与SS物理共混相容性较差,复合粘结磁体在长时间暴露在潮湿环境下仍会发生腐蚀行为。为此通过对EP单体进行化学改性,制备了相容性优异的W-EP/SS复合粘结剂。研究表明,W-EP/SS化学复合粘结磁体的矫顽力、剩磁与磁能积分别为9.73 k Oe,6.28 k G和8.42 MGOe,高于EP、SS、EP/SS粘结磁体。与此同时,W-EP/SS化学复合粘结剂的应用可获得了稳定的耐温性和耐腐蚀性,对抵抗200oC高温及潮湿的工况环境发挥了良好的作用。此外,W-EP/SS复合粘结磁体的力学性能在20oC和200oC下的抗压强度分别达到了95 MPa和40.6 MPa,较EP/SS物理复合粘结磁体大幅提升。对W-EP/SS粘结磁体微观结构分析发现,W-EP/SS复合粘结剂能在磁体表面形成一层致密的防腐蚀薄膜,防止磁体腐蚀行为的同时,W-EP/SS复合粘结剂中的Si-O-Si及C-O-C较高化学键能可以有效提升粘结磁体的抗压强度和耐高温性能。采用两种液态粘结剂酚醛树脂(Phenolic Resin,PF)及4,4二氨基二苯甲烷(DDM英文全称,DDM)改性环氧树脂(DDM-EP)制备了耐高温、高力学特性等综合性能优异的粘结Nd-Fe-B磁体。研究结果表明:含有刚性化学结构和良好流动性的液态粘结剂是提升磁体耐温性和力学特性的关键因素。对于PF/Nd-Fe-B粘结磁体,虽然室温下PF粘结磁体在矫顽力方面比传统EP粘结磁体略低,但能在200oC下保持良好的尺寸稳定性,并获得一定的可使用的磁性能;与此同时可获得更高的力学特性,4 wt.%PF含量粘结磁体抗压强度可提高到253.6 MPa,达到EP粘结磁体抗压强度的10倍以上。此外,通过向液态EP单体中引入含有刚性结构的DDM固化剂提高了EP粘结剂和DDM-EP粘结磁体的耐温性和力学性能。研究结果表明:当DDM固化剂含量为20wt%时,能够使EP粘结剂充分固化,从而提高DDM-EP粘结磁体的耐温性和高温尺寸稳定性。与此同时,磁体内部的致密性及规整性达到最佳,抗压强度最高可达到138.4 MPa,远高于商用EP粘结磁体。通过对PF/Nd-Fe-B和DDM-EP/Nd-Fe-B两种粘结磁体的内部结构及断口形貌观察,揭示了液态粘结剂的粘结机理:在预压及等静压致密化的过程中,磁粉受液体粘结剂的亲润与渗透作用,可沿垂直于压力方向发生片状堆叠,增加了磁体内部的结构规整性;与此同时具有刚性结构基团的粘结剂在固化过程中形成了坚固的交联网络结构,提高了磁体的耐温性和抗压强度。此外采用液态粘结剂还可以大幅降低粘结磁体成型压力,有利于节省模具成本,具有较好的产业化应用前景。基于传统粘结磁体成型工艺的基础,围绕新型永磁材料3D打印技术,开展了系统性的研究,涉及磁粉的防氧化改性、各向同性及各向异性3D打印Nd-Fe-B磁体的制备。在400℃-3 h工艺条件下,通过旋转扩散工艺在Nd-Fe-B磁粉表面形成了一层厚度为1-2μm且均匀分布的Zn壳层结构,在保持磁粉原有优异磁性能的基础上,有效降低了磁粉的氧化程度。随后采用Zn包覆的球形Nd-Fe-B磁粉(Zn-MQP-S)和聚乳酸(PLA)树脂粘结剂,成功制备了磁粉含量为86 wt.%的3D打印各向同性磁体,密度达到4.08 g/cm~3,最大磁能积最高达到2.8 MGOe。为了进一步提高3D打印Nd-Fe-B磁体的磁性能,采用较小尺寸Sm Fe N与较大尺寸HDDR复合磁粉制备性能优异的3D打印各向异性磁体。当复合磁粉添加量达到90 wt.%,Sm Fe N/HDDR磁粉含量比值为6:4时,制备的各向异性3D打印磁体的磁性能最佳,矫顽力、剩磁和最大磁能积分别达到13.50 kOe、4.37 kG和4.37 MGOe。
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