【摘 要】
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MnBi永磁材料具有较高的矫顽力、适中的饱和磁化强度和磁能积,可应用于中高温和强退磁场环境,是稀土永磁材料在中高温领域的潜在替代材料。本文通过熔体快淬技术、高能球磨和放电等离子烧结（SPS）技术制备了MnBi合金。研究了MnBi永磁微观结构和磁性能的关系,着重探讨了Pr、Cu元素添加后MnBi合金的交换偏置现象。基于熔体快淬技术,研究了Pr、Cu元素掺杂对MnBi合金微观结构和磁性能的影响。研究发
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MnBi永磁材料具有较高的矫顽力、适中的饱和磁化强度和磁能积,可应用于中高温和强退磁场环境,是稀土永磁材料在中高温领域的潜在替代材料。本文通过熔体快淬技术、高能球磨和放电等离子烧结（SPS）技术制备了MnBi合金。研究了MnBi永磁微观结构和磁性能的关系,着重探讨了Pr、Cu元素添加后MnBi合金的交换偏置现象。基于熔体快淬技术,研究了Pr、Cu元素掺杂对MnBi合金微观结构和磁性能的影响。研究发现,随着Pr元素掺杂含量的增加,合金的矫顽力呈先增加后降低趋势,其中(Mn55Bi45)95Pr5成分条带合金的矫顽力最高,可达7.846 k Oe,而晶格中Mn-Mn之间的反铁磁耦合及Pr与Mn之间的亚铁磁性耦合则是其饱和磁化强度呈单调下降的原因。Cu掺杂研究表明,与Pr元素掺杂一致,即随着Cu掺杂量的增加,矫顽力呈先增加后降低趋势,饱和磁化强度单调下降。其中,(Mn55Bi45)97Cu3成分条带合金的矫顽力可达8.905 k Oe。Pr Cu共掺杂研究显示,随着掺杂Pr Cu含量的增加,矫顽力呈单调增加趋势,其最大矫顽力可达17.277k Oe。通过放电等离子烧结技术,制备了具有较高致密度和优异磁性能的MnBi Pr Cu烧结磁体,其微观结构由粗晶区和细晶区组成,593 K/0.5 h退火后,其磁性能可达:Hci=6.74 k Oe和Br=15.63 emu/g。矫顽力机制研究表明,SPS磁体的矫顽力由钉扎机制控制。深入研究了Pr、Cu掺杂体系的交换偏置现象。研究发现Pr掺杂MnBi合金中观察到有明显的交换偏置现象,其中,随着Pr掺杂量的增加,交换偏置场表现出先增加后减小的趋势,其最高交换偏置场和矫顽力分别可达9.372 k Oe和17.594 k Oe。铁磁性MnBi相和非晶反铁磁性团簇相在界面形成的强耦合效应是形成交换偏置的原因。温度场研究揭示,随着温度的提升,界面耦合强度降低和反铁磁各向异性弱化会使得交换偏置场呈单调降低趋势。冷却场研究发现,交换偏置场随着冷却场增加,呈先增加后减小再几乎保持不变的趋势。测量磁场研究表明,随着测量磁场的增加,交换偏置场降低,反铁磁磁矩对铁磁磁矩钉扎效应的减弱是主要原因。锻炼效应研究发现,由于界面上的自旋随着测试次数的增加会趋向于平衡状态,即其反铁磁层界面的净磁化逐渐减小并趋于平衡,这导致了交换偏置场减小并趋于稳定,符合HE（n+1）-HE（n）=-[（n）-∞]3公式关系。Cu掺杂研究表明,铁磁性低温MnBi相和非晶反铁磁性团簇相也是MnBiCu产生交换偏置效应的原因。Bi4Cu0.38Mn3.41相可在5K下产生7.9 kOe的高矫顽力。此外,在PrCu共掺杂的MnBi合金中也发现有较高的交换偏置效应,其在5K下的交换偏置场可达5.835 k Oe。退火可降低MnBiPrCu合金的交换偏置效应。同时发现SPS MnBiPrCu烧结磁体也存在较弱的交换偏置效应。
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