高性能2:17型SmCo永磁体的成分、结构及磁硬化机理研究

发布时间：2020-11-03 17:41

　　 作为第二代稀土永磁材料,2:17型SmCo永磁体磁性能优异、居里温度高、温度稳定性强、抗腐蚀和抗氧化性强,其最高使用温度可达550℃,这使它能够应用于多个领域,特别是满足航空航天和军工等高温工作环境。近年,2:17型SmCo永磁体的相关研究重新引起重视。本论文针对拥有高性能的高Fe含量磁体工艺复杂的问题开展研究。首先采用粉末冶金法制备磁体,进而研究元素含量变化引起的结构、磁性能变化及调控方法,分析元素分布状态对磁性能的影响方式,以掺杂技术改善Sm(CoCuFeZr)_z磁体晶界结构缺陷,最终实现磁体磁性能的优化。采用六个不同名义成分的Sm(Co_(bal)Fe_xCu_(0.06)Zr_(0.025))_z铸锭(其中x=0.20、0.25、0.28;z=7、9.5),按Fe含量分组(简称为Fe_(0.20)、Fe_(0.25)和Fe_(0.28)体系)制备高Fe含量磁体。在探索获得高矫顽力的过程中建立了“Fe含量-z值-矫顽力”三者的关联机制。即“提高Fe含量后必须同步降低z值才能获得较高的矫顽力”。结合磁性能和微观结构演变,发现以高矫顽力Sm(Co_(0.715)Fe_(0.20)Cu_(0.06)Zr_(0.025))_(7.86)磁体为基础(H_(cj)=30.38 kOe),若Sm含量不变,那么Fe含量的提高将使得胞状相从胞壁相占用更多的Sm以促进胞状相自身生长,胞壁相没有足够的Sm会难以形成,矫顽力因此大幅下降。当提高Sm含量后,胞壁相得以形成而且变得完整,由于Cu在1:5胞壁相与2:17胞状相内形成了较大浓度梯度差,产生了很强的钉扎作用,磁畴形貌显示畴宽变窄。最终制得磁性能最佳的Sm(Co_(0.635)Fe_(0.28)Cu_(0.06)Zr_(0.025))_7磁体,(BH)_(max)=27.50 MGOe,H_(cj)=14.77 kOe。然而,该磁体矫顽力无法恢复到低Fe含量的水平,一方面是Fe含量的提高使胞状相尺寸从120 nm升至180 nm,胞壁相体积分数降低,另一方面是平均胞壁厚度与磁畴壁厚度差异增大,不利于抑制畴壁移动。采用电子探针EPMA观察了Sm(Co_(0.665)Fe_(0.25)Cu_(0.06)Zr_(0.025))_7磁体晶粒的元素分布,研究了烧结工艺对磁体微观结构和磁性能的影响。时效后的磁体存在晶界贫Cu区域,宽度约0.75μm。当烧结温度在1195℃时,样品已接近理论密度8.40g/cm~3并保持稳定。矫顽力处在20~25 kOe,但退磁曲线在反向场-2 kOe的位置出现明显“台阶”,影响了方形度,磁能积只有22 MGOe左右。当烧结温度提高至1220℃左右,贫Cu晶界区域体积分数降低,方形度明显改善,磁能积提高至25~27 MGOe,但是矫顽力下降至16 kOe左右,相应的最佳固溶温度也降低了。MOKE观察显示晶界区在退磁过程中率先出现磁畴翻转,是造成磁体不均匀的主要原因,无法靠调控固溶温度解决。提高烧结温度促使晶粒内的Cu原子向晶界贫Cu区扩散填补而造成晶粒长大,平均晶粒尺寸从10μm增大至25μm。据估算贫Cu晶界区域体积分数从19.5%降至8.5%,方形度和磁能积因此改善。此外,晶粒长大过程中需要晶粒内的Cu原子向贫Cu晶界区域扩散填补,导致大晶粒内Cu的浓度降低,Cu的稀释现象是矫顽力降低的原因。对掺杂Cu粉的Sm(Co_(0.665)Fe_(0.25)Cu_(0.06)Zr_(0.025))_7磁体进行系统研究,发现固溶后磁体晶界区域元素分布与主相晶粒一致,而时效后只有Cu元素在晶界含量降低。对此,将球磨粉与磁体质量分数1.0 wt.%、粒度2μm的Cu粉混合均匀并按粉末冶金法烧制块体,掺杂前后两个样品密度均接近理论值,掺杂磁体剩磁略有降低,但是矫顽力从11.94 kOe提高至21.21 kOe。掺杂样品磁能积为25.02 MGOe,略高于原始样品。EPMA观察证实掺杂后原来贫Cu晶界明显消除,晶粒内Cu含量也提高了,说明烧结过程中毛细作用促使Cu粉熔化以液态覆盖了粉末表面并扩散进入晶粒内部。TEM发现贫Cu晶界周围没有完整的胞状相,而掺杂后的晶界周围微观结构完整。同时,掺杂样品胞壁相Cu含量也比原始样品中的更高。初始磁化曲线证实掺杂前后磁体的磁硬化机制仍为钉扎机制。使用不同粒度和掺杂量的Cu纳米粉和微米粉制备磁体。掺杂磁体矫顽力可提高10~15 kOe。磁能积稳定在25 MGOe左右。但是,在掺杂纳米粉的磁体中发现部分未填补的晶界,并从晶界和晶粒内形成了不均匀的Cu浓度梯度,造成样品退磁曲线塌腰明显。相比之下,掺杂微米粉的磁体Cu分布更均匀,证明了掺杂微米粉的更利于提高磁性能。
【学位单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM273
【部分图文】：

)、温度稳定性好、耐腐蚀性强及抗氧化性好等优点使佳选择[5-10]。稀土永磁材料的研究在短期内迅速推进合物并不存在 CaCu5型结构，而与 R2Co17型结构相同里温度却很低。终于在 1983 年，Sagawa[11]等人的研NdFeB 永磁体诞生。该磁体为铁基稀土永磁材料，主e14B。作为新一代永磁体，其(BH)max接近 60 MGOe，，储量丰富的 Nd 元素和价格低廉的 Fe 使其成本降dFeB 永磁体温度稳定性差，制约了其在高温工作环境航天领域。在那之后，人们又尝试了多种探索，即使合物或在薄膜材料制得很高的磁能积，却无法在块体dFeB 永磁体仍享有“磁王”的称号。经过了几十年的的性能促成了磁性材料器件的小型化甚至微型化，已、自动化技术、交通运输、医疗、生物工程、航空航应用[12-19]。

o 永磁体微观结构复杂，如图 1-2 所示。主相为在文献报道中胞状相尺寸约 50~200 nm 不等，另环绕胞壁相[41-44]，其厚度约 5~20 nm。其中，室温下为 Th2Zn17型菱方结构[45, 46]，空间群为c=12.216 ，这是在三个 SmCo5型晶体结构基原子，并在基面上滑移而成的。另外其高温下 P63/mmc，晶格常数为 a=8.360 ，c=8.515 。结构及 TbCu7型结构，即高温相，低于 1000温相(室温相)。胞壁相为富 Cu 的六方晶系 Ca6/mmm，晶格常数为 a=5.002 ，c=3.974 ，这 1:5 相拥有较高的磁晶各向异性[45]。图 1-3 为 ，1:5 型结构的两个 Sm 原子用 Co-Co 哑铃对展示了室温 Th2Zn17型和高温 Th2Ni17型晶体结

图 1-3 TbCu7型和 CaCu5型晶体结构Fig. 1-3 Crystal structure of TbCu7type and CaCu5type图 1-4 Th2Zn17型和 Th2Ni17型晶体结构Fig. 1-4 Crystal structure of Th2Zn17type and Th2Ni17type富 Fe 的主相为磁体获得高饱和磁化强度，富 Cu 的胞壁相通过钉扎畴壁
【参考文献】

相关期刊论文 前9条

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本文编号：2868889