NdFeB永磁薄膜的电化学制备及其相关性能研究

发布时间：2019-11-20 13:28

【摘要】：研究和发展具有较高剩磁强度、较大矫顽力及较大磁饱和感应强度等综合磁性能的磁性材料,是未来集高能化、微体积化和绿色节能化等特征于一体的微电子系统发展过程中的关键环节之一。钕铁硼(NdFeB)稀土合金是迄今为止发现的综合磁性能最高、应用最广泛的永磁材料,相较于AlNiCo系、FeCrCo系、永磁铁氧体等传统永磁材料,NdFeB具有高剩磁强度、矫顽力以及最大磁能积高且机械性能优良、合金密度高等优点,因此在电子、精密设备、工程制备、交通以及航空航天等诸多领域都有着广阔的应用前景。然而,由于NdFeB合金中稀土元素Nd的沉积电位非常负,且形成的富Nd相超强活性,极易被氧化。特别是在复杂的腐蚀环境中(潮湿气氛或溶液),材料表面极易因形成不同形式的微电池而导致腐蚀失效,从而影响材料综合磁和各项机械性能的迅速下降,大大阻碍了该材料的应用和发展。聚焦于上述问题,本论文主要分为两个部分开展了研究工作,第一部分选择循环伏安法作为电沉积的主要形式,以纯铜作为基体,制备整体呈纳米结构的永磁钕铁硼(NdFeB)薄膜。并在此基础上进一步采用循环伏安技术(CV)、电化学阻抗(Electrochemical impedance spectroscopy,EIS)以及电化学极化(Tafel)等电化学方法联合扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)以及磁性振动扫描(VSM)等测试技术系统研究了该薄膜的电化学性能、磁性能与表面形貌及材料织构之间的内在联系及机理。第二部分对通过工艺优化后制备的NdFeB薄膜在3.5wt.%NaCl腐蚀介质中的腐蚀行为进行了研究,并通过电化学噪声(ElectrochemicalNoise,EN)深入探讨了其腐蚀演变过程及腐蚀机理,得出如下结论:1、结合NdFeB永磁薄膜的制备工艺条件,选择并设计四因素四水平正交试验,对各项工艺参数进行初筛,并在此基础上,对可行性较高的工艺组别的部分主要参数进行单因素优化,得出基础工艺参数:主盐NdCl3浓度为12g/L,FeCl2浓度为40g/L,H3B03浓度36g/L,两种配位剂甘氨酸和氯化铵浓度均为30g/L,十二烷基硫酸钠O.1g/L,抗坏血酸1.2g/L,pH值2.5,温度25摄氏度,扫描8圈,电位窗口区间为-0.9VscE～-1.6VscE,扫描速度20mV/s。2、对优化后工艺条件下制备的NdFeB薄膜的结构、形貌、磁性能以及电化性能进行系统研究后表明:通过循环伏安法电沉积制备出的NdFeB薄膜整体基本呈纳米结构,材料表面光滑,表面致密度高,在较高的阴极过电势条件下,薄膜遵循扩散控制下的3D瞬时“成核/生长”机制。3、研究了纳米结构NdFeB薄膜在中性3.5 wt.%NaCl溶液中的腐蚀电化学行为。结果发现:(1)其极化曲线腐蚀电位正移了约200mV,相较文献报道的烧结法制备的同类型材料耐蚀性能有一定的提高。(2)其电化学阻抗谱变化规律表明,随着腐蚀时间的延长,Nyquist图上的容抗弧半径呈收缩趋势,Rp和Rt在数值上也有所下降,表明腐蚀性阴离子Cl-对材料的侵蚀程度较严重。同时含Nd相的快速溶解也使得材料整体的失效速度呈自加速变化。(3)通过小波分析技术探讨了 NdFeB薄膜3.5wt.%NaCl腐蚀介质中不同浸泡时间下的能量分布状态可知,D1至D8晶胞所占能量的比例可以较好的解释腐蚀初期点蚀以及随后发生晶间腐蚀的演变过程。
【图文】：

磁滞回线,永磁合金,硬磁材料,合金

逦宁夏大学硕士学位论文逡逑前应用最为广泛的磁性材料［ｍ８］。图１－１所示分别为硬磁材料和软磁材料的磁滞回线。逡逑Ｉｆ．．．．．．逦，逡逑Ｕ逡逑＊逦逦…逡逑（ａ）硬磁材料逦（ｂ）软磁材料逡逑图１－１两种不同材料的磁滞回线逡逑Ｆｉｇ．１－１邋Ｔｗｏ邋ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ邋ｌｏｏｐｓ邋ｏｆ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑１．４．１硬磁材料的分类逡逑硬磁材料的分类按照其组成和结构来说大致可以分为四类：逡逑？逦ＡｌＮｉＣｏ系永磁合金逡逑ＡｌＮｉＣｏ系永磁合金又称之为ＡＩＮｉ合金，也可称为阿尔尼科合金，这类合金以Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ逡逑为基本磁性元素，并根据不同的功能性要求掺杂Ｃｕ、Ｃｏ、Ｔｉ等微量元素。其主要制备方法分为逡逑锻造法和粉末烧结两种。这种合金稳定性好、磁性较强，主要应用在仪表制作、磁力机械等领域。逡逑？逦ＦｅＣｒＣｏ系永磁合金逡逑ＦｅＣｒＣｏ系永磁合金属于时效硬化型硬磁合金，其主要成为一般为２０％？３３％铬、３％？２５％逡逑钴、３％钼或０．７％？１．０％挂，其机械性能较好同时加工性较强，通常可以通过冷热塑性变形以及逡逑热处理等方法提升材料综合磁性能。逡逑？逦永磁铁氧体逡逑永磁铁氧体主要包括锶铁氧体和钡铁氧体，其矫顽力处于ＡｌＮｉＣｏ系合金和ＦｅＣｒＣｏ系合金逡逑之间。该类合金具有密度小、稳定性好以及磁晶异向系数大的特点

单胞,晶体结构,化合物,电子层

Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｉｎｇｌｅ邋ｃｅｌｌ邋ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＮｃｂＦｅｉ４Ｂ邋ｃｏｍｐｏｕｎｄ逡逑ＮｄＦｅＢ永磁材料为典型的多相织构，其主硬磁相为Ｎｄ２Ｆｅｌ４Ｂ，同时含有独立的富Ｎｄ相及逡逑富８相《其单胞结构如图１－２所示，主相Ｎｄ２Ｆｅｉ４Ｂ为唯一的含磁相，呈四方单胞结构。其在整逡逑体材料中的体积分数决定了邋ＮｄＦｅＢ的最大磁能积。空间群由四个分子构成，其中包含６８个原子，逡逑６个电子层。因而每个电子层都可视为富含三个相的电子层，，Ｎｄ、Ｂ原子分布在第一和第四层，逡逑Ｆｅ原子分布在其余电子层并呈六角或三角排布［４５］。逡逑１．４．２邋ＮｄＦｅＢ稀土永磁薄膜的制备逡逑钕铁硼永磁体问世于上世纪八十年代。目前国内外对于钕铁硼薄膜材料的制备多采用物理方逡逑法，最主要为磁控溅射法［２５＿２６］。而磁控溅射法又主要包括直流溅射法和射频溅射法，除此之外还逡逑有真空派射法、离子束溉射法、分子束外延法和脉冲激光沉淀法等Ｐ７－３１］。迄今为止，己有不少研逡逑－５－逡逑
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM273

【参考文献】