宁波材料所等:通过层状结构设计增强(Nd,Y)-Fe-B烧结磁体的矫顽力和热稳定性

文摘   科学   2024-07-15 09:01   北京  

7月9日,由宁波材料所、宁波大学、中科院大学研究团队(通讯作者:郭帅研究员、闫阿儒研究员)完成的关于(Nd,Y)-Fe-B烧结磁体的性能提升的研究成果发表于《Rare Metals》。该研究发现三层磁体的矫顽力在高温下具有更好的稳定性
实验过程

选用工业纯度的原材料,通过真空感应熔炼形成铸锭。这些铸锭具有特定的化学组成,分别为含30 at% Y的Nd9.56Y4.10(Fe,Co)80.12M0.75B5.47和不含Y的(Pr,Nd)13.30(Fe,Co)80.14M0.67B5.89。随后,铸锭经过氢气分解处理,转化为粗粉末。这些粗粉末进一步通过氮气喷射研磨工艺细化至约3微米,形成磁性粉末。

磁性粉末经过两种不同的方法制备成(Nd,Y)-Fe-B磁体。

第一种是传统的双主相(DMP)方法,涉及将30Y和0Y粉末以1:1的质量比混合,然后在1.8 T的磁场中取向并压制成型,最后通过等静压机在160 MPa压力下成型。

第二种是创新的层状方法,该方法涉及将0Y和30Y磁性粉末根据DMP方法的比例分别称量并交替堆叠,形成多层结构,然后同样在磁场中取向并压制成型。

之后在1060至1090摄氏度的高温下,于1×10^-4 Pa的真空环境中烧结4小时,以形成具有一定强度和密度的磁体。烧结后,磁体经过两次回火处理:首次在900摄氏度下进行4小时,二次在500摄氏度下进行4小时,以实现完全致密化。


结果和讨论
本研究使用FEMME模拟系统分析了不同晶粒组合下的磁体性能。模拟结果显示,与传统的DMP磁体相比,三层磁体展现出更优异的内在性能。模拟的退磁过程表明,DMP磁体的磁化反转首先从Y富集晶粒开始,并随着外场增强而迅速扩展至整个磁体。相比之下,三层磁体的磁化反转首先在中心的Y富集晶粒层发生,随后迅速向周围扩散,导致整个磁体的退磁

实验制备的磁体在室温下的退磁曲线显示平滑且均匀的行为,表明0Y和30Y磁层之间存在有效的磁耦合效应,确保了磁畴的均匀反转。三层磁体的矫顽力比DMP磁体高出约0.23特斯拉,显示出在高温下更好的矫顽力稳定性。此外,当磁体层数从三层增加到七层或十一层时,虽然磁体的剩余磁化强度略有下降,但矫顽力仍然超过了DMP磁体,表明层状结构能有效提高磁体的矫顽力。

对不同磁体在20至120摄氏度范围内的剩余磁化强度和矫顽力随温度变化的分析表明,随着温度的升高,剩余磁化强度和矫顽力都迅速下降。三层磁体的矫顽力在不同温度下均显著超过DMP磁体,且具有更好的高温稳定性。

微观结构分析显示,0Y磁体的晶粒均匀分布,晶界相为薄壁结构。而30Y磁体则表现出明显的核壳结构,其中Y富集在核心区域,而Nd富集在表面层。这种核壳结构的形成限制了Y元素主要在晶粒核心区域,同时促进了Nd元素在表面层的富集,显著提高了磁体的矫顽力。
DMP磁体的微观结构分析揭示了Y元素从Y富集的30Y晶粒内部扩散至0Y晶粒的表面层,形成了Y富集的壳层。然而,由于Y2Fe14B的各向异性场显著低于Nd2Fe14B,Y富集壳层的各向异性场也低于Y贫瘠核心,导致DMP磁体在退磁过程中容易形成反转磁畴,从而降低了磁体的矫顽力。
三层磁体的界面微观结构分析显示,在0Y和30Y磁层接触处形成了约200纳米厚的界面层,其中Y元素从30Y磁层逐渐扩散至0Y磁层,扩散深度约为200纳米。这种界面层的形成有效限制了Y元素的扩散,防止了Y富集晶粒对晶粒表面各向异性场的不利影响,从而显著提高了(Nd,Y)-Fe-B多层磁体的矫顽力和热稳定性。

理论计算和实验结果均表明,采用层状结构设计的Y含量磁体比传统DMP方法制备的Y含量磁体具有更高的矫顽力。通过磁粉层叠技术交替堆叠Nd富集的0Y和Y富集的30Y磁粉,并通过高真空烧结和热处理过程融合不同磁层,形成了0Y和30Y磁层之间的界面层。这种结构设计不仅有效限制了Y的扩散,而且利用界面层的高各向异性场0Y磁层对低各向异性场30Y磁层施加磁硬化,促进了退磁过程中磁畴的一致反转,最终提高了含Y磁体的磁性能。此外,与文献中其他Y替代的Nd-Fe-B合金相比,本研究中的三层NdY-Fe-B磁体在约14 at%的Y替代下仍具有相对较高的综合磁性能。这一发现为后续高丰度NdY-Fe-B磁体的开发提供了指导。

总结

综上,本论文采用磁性粉末层状方法制备了具有宏观多层结构的(Nd,Y)-Fe-B烧结磁体。对这些磁体进行了全面研究,重点关注它们的磁性能、热稳定性、微观结构和元素分布特性。与传统的双主相(DMP)方法制备的(Nd,Y)-Fe-B烧结磁体相比,采用层状方法制造的三层磁体在相同的名义组成下展现出约0.23 T的更高矫顽力。此外,层状磁体和DMP磁体的矫顽力热稳定性系数(b)分别为-0.596和-0.633%/°C,表明层状磁体具有更优的矫顽力热稳定性。微观结构分析揭示了在层状磁体中0Y和30Y磁性层接触处形成了约200微米厚的界面层。在这个界面层内,Y元素从30Y逐渐扩散到0Y磁性层,扩散深度约为200微米。这种宏观多层结构的使用有效地将Y元素限制在30Y磁性层内,防止了可能对晶粒表面各向异性场产生不利影响的过度扩散。因此,(Nd,Y)-Fe-B多层磁体的矫顽力和热稳定性得到了显著提升。


通讯作者介绍:

郭帅 研究员

日期:2018-12-19, 查看:12880

郭 帅,研究员,博士生导师

TEL: +86-574-86669721

FAX: +86-574-86694010

E-mail: gshuai@nimte.ac.cn

研究方向:

1)超高性能稀土永磁材料开发

2)高矫顽力稀土永磁材料矫顽力机制及重稀土减量化技术开发

3)高丰度稀土永磁材料产业化关键技术开发及机理研究

4)稀土永磁材料温度稳定性、耐蚀性及力学性能机理研究及其增强技术

招生方向:材料物理与化学,材料工程

主要简历:

2011年7月毕业于中科院宁波材料技术与工程研究所材料物理与化学专业,获博士学位

2011年9月-2013年10月中国科学院上海硅酸盐研究所与宁波材料所联合培养博士后

2013年10月-2013年12月 中科院宁波材料技术与工程研究所助理研究员

2014年1月-2017年12月 中科院宁波材料技术与工程研究所副研究员

2018年1月-至今 中科院宁波材料技术与工程研究所研究员

目前主要从事超高性能稀土永磁材料开发,耐高温、耐腐蚀高矫顽力稀土永磁材料的开发及机理研究,无/低重稀土稀土永磁材料矫顽力增强技术及其产业化关键制备技术研发,高丰度稀土永磁材料的研发与产业化关键技术和纳米晶双相磁粉制备技术及其各向异性产生机理研究工作。主持国家重点研发计划子课题、工信部稀土专项、宁波市“科技创新2025”重大专项、浙江省重点研发计划、宁波市科技重大专项、宁波市重点项目、国家自然基金、国家博士后面上基金及多项企业委托研发项目,主要参与国家“863”项目1项、科技部支撑计划项目1项及内蒙古科技重大专项、宁波市国际合作项目、德国Bosch、美国GE等国际合作研究项目和多项国内企业合作项目。无重稀土高矫顽力稀土永磁材料、高丰度稀土永磁材料产业化关键技术等多项成果在合作企业实现产业化。担任中国材料研究学会青年理事会理事、中国稀土学会会员,入选宁波材料所春蕾人才、宁波市领军拔尖人才。发表论文五十余篇,申请发明专利二十多项,其中包括3项国际PCT专利,参与编著《新型稀土永磁材料与永磁电机》专著一部,并为J. Alloy Compd.、 IEEE Trans. Magn. 、J. Magn. Mater. Magn.、Journal of Rare Earth、Material Letters、Journal of Applied Physics等杂志担任审稿人。

https://remag.nimte.ac.cn/view-8675.html

http://maglab.nimte.cas.cn/team/researcher/201410/t20141022_263277.html

附录信息

  • 论文的发表日期:2024年7月5日

  • 发表的期刊名称:Rare Metals

  • 论文标题:Enhancing coercivity and thermal stability of (Nd,Y)–Fe–B sintered magnets through lamellar structure design

  • 论文作者:Xiao-Dong Fan, Yu-Hao Li, Shuai Cao, Guang-Fei Ding, Shuai Guo*, Bo Zheng, Ren-Jie Chen, A. Ru Yan*

  • 论文的DOI链接:https://doi.org/10.1007/s12598-024-02888-2


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