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烧结Nd-Fe-B永磁材料显微结构优化与性能研究

崔熙贵  
【摘要】: 烧结Nd-Fe-B磁体是具有高磁性能和高性价比的新一代稀土永磁材料,广泛应用于各种高新技术领域。然而,矫顽力低、温度稳定性差和易腐蚀的缺点严重限制了其进一步发展和在各种重要领域的应用。烧结Nd-Fe-B材料的性能除与磁体成分直接相关外,显微结构也是一个重要的影响因素。因此,如何通过调整磁体显微结构来提高其综合性能是一个兼具重要理论和实际意义的科学问题。 从调整和改善烧结Nd-Fe-B材料的显微结构出发,本文系统研究了晶界改性对材料磁性能、耐腐蚀性能和温度稳定性的影响,建立了纳米添加物在磁粉表面的理想分布模型,结合热力学计算,揭示了不同纳米添加物对主相Nd_2Fe_(14)B晶粒尺寸、分布形态及主相-富Nd相的界面结构的影响机制及其对磁体性能的作用机理;同时,通过气流磨过程中回收超细磁粉的晶界添加,明确了磁体性能和显微结构随添加量的变化规律,为降低磁体成本提供理论依据;此外,在研究磁体温度系数随其内禀性能和结构因素变化规律的基础上,掌握了高温度稳定性烧结Nd-Fe-B磁体的设计原则,并成功制备出低温度系数磁体。 本文的主要研究结果如下: 纳米添加物的晶界改性能够同时提高烧结Nd-Fe-B磁体的磁性能和耐腐蚀性能。研究发现,各种纳米粉的添加都能够提高磁体的矫顽力H_(cj),其中纳米Cu、SiO_2、ZnO和AlN的晶界添加能够有效细化主相晶粒,并使其分布更加均匀,有效增大了反磁化畴的形核场;纳米Cu、Zn、SiO_2和ZnO的晶界添加还能改善晶界富Nd相的性质,使其在主相周围分布更加均匀,减弱了晶粒间的磁交换耦合作用;而Dy_2O_3纳米粉的晶界添加,能够使主相晶粒表面磁硬化。纳米Cu、Zn、SiO_2和ZnO的晶界添加促进磁体的烧结致密化,能够有效提高密度,从而提高磁体的剩磁B_r和磁能积(BH)_(max);而纳米Dy_2O_3和AlN的作用则恰恰相反。此外,纳米Cu、Zn、SiO_2、ZnO和AlN的晶界添加能够提高晶界相的电极电位和优化显微结构,从而抑制磁体的晶间腐蚀,提高了磁体的耐腐蚀性能。 根据热力学分析,阐述了各种纳米粉的添加对晶界富Nd相组成和性质的影响机制。研究发现,添加的金属Cu纳米粉和Zn纳米粉,在烧结过程中主要与晶界富Nd相发生化学反应,形成新的晶界相或溶入富Nd相中,而并没有进入主相。热力学计算表明,在晶界中添加的SiO_2和ZnO氧化物纳米粉与Nd在烧结温度下反应生成稳定的Nd_2O_3颗粒,以及元素Si或Zn;Nd_2O_3颗粒抑制了晶粒长大,Si和Zn改善了富Nd相的性质,进而优化了磁体显微结构。根据规则熔体Miedema理论模型计算,晶界添加的Dy_2O_3纳米粉与富Nd相反应还原生成的Dy易于扩散进入主相晶粒表面生成磁晶各向异性场更大的Dy_2Fe_(14)B,起到表面磁硬化的作用。 采用气流磨过程中回收的超细磁粉的晶界添加制备了高性能低成本烧结Nd-Fe-B磁体,并揭示了超细磁粉添加量对磁体性能和显微结构的作用机制。研究表明,气流磨过程中回收超细磁粉的成分以稀土元素Nd、Pr和Dy为主,在晶界中添加能够提高磁体磁性能,尤其是矫顽力H_(cj)。超细磁粉的晶界添加能够减缓磁体液相烧结过程中溶质的扩散传质速度,抑制主相晶粒长大,细化了主相晶粒,提高了反磁化畴的形核场;同时有助于在主相晶粒表面形成高磁晶各向异性场的Dy_2Fe_(14)B和Pr_2Fe_(14)B,能够起到表面磁硬化的作用,从而显著提高磁体的矫顽力H_(cj);在添加量低于5 wt%时,也能提高磁体的磁能积(BH)_(max)。此外,超细粉的晶界添加还能有效降低磁体的矫顽力温度系数β和磁通不可逆损失h_(irr),提高了烧结Nd-Fe-B磁体的温度稳定性。 建立了烧结Nd-Fe-B磁体温度系数与内禀性能和显微结构参量的定量关系,为设计低温度系数磁体提供了理论指导,并制备出高温度稳定性烧结Nd-Fe-B磁体。通过理论分析建立了矫顽力可逆温度系数β与磁晶各向异性场H_A和显微结构参量c/N_(eff)的定量关系,发现H_A越高、c/N_(eff)越大,β就越小。在此基础上,通过成分设计和磁体显微结构优化,成功制备了低温度系数的烧结Nd-Fe-B磁体,在20~150℃温度区间,β仅为-0.385%/℃;且在220℃时,磁体的矫顽力H_(cj)仍有557 kA/m,表明该磁体具有很高的温度稳定性。此外,根据磁体的最高工作温度与β的理论关系阐述了烧结Nd-Fe-B磁体矫顽力温度系数对其最高工作温度的影响规律。在相同的H_(cj)下,最高工作温度随β的降低而显著升高,表明降低β是制备高温度稳定性磁体行之有效的方法。


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