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1、第5章 永磁材料,衡量永磁体性能的重要指标,提高永磁体性能的途径,金属永磁材料,铁氧体永磁材料,稀土永磁材料,本章将要讲述的主要内容：,5.1 衡量永磁体性能的重要指标,剩磁高矫顽力大最大磁能积大稳定性好,最大磁能积（BH）max,H=0时，BH=0；B=0时，BH=0,所以在这两个状态之间BH必然存在最大值,根据可以（BH）max确定永磁体的最佳形状。,0(BH)max,3.2 提高永磁体性能的基本途径,为了提高磁能积，必须想办法提高剩磁Br和矫顽力HC,如何提高材料的剩磁Br？,定向结晶,塑性变形,磁场成型,磁场处理,使晶粒长大方向和易磁化轴方向一致,形成择优取向和织构,使易磁化轴沿磁场取
2、向,热处理过程中析出的磁性颗粒沿磁场取向,如何提高材料的矫顽力HC,材料的矫顽力主要是由畴壁的不可逆移动和磁畴的不可逆转动形成的。分别考虑：,磁畴转动,考虑单畴。矫顽力受到磁晶各向异性、形状各向异性和应力各向异性 的影响：,对于MS大的材料，最好通过形状各向异性来提高矫顽力，细长比越大越好，以增大,对于具有高K1和S的材料，应该利用磁晶各向异性和应力各向异性来提高矫顽力,畴壁的不可逆位移,钉扎点,磁畴壁,初始消磁状态,畴壁被钉扎状态,畴壁从钉扎点撕脱出,设法在材料中出现有效的钉扎点，形成晶格缺陷，是提高材料矫顽力的有效措施。,5.3 金属永磁材料,根据形成高矫顽力的机理，可将永磁材料分为以下几
3、类： 淬火硬化型磁钢 析出硬化型磁钢 时效硬化型永磁 有序硬化型永磁,淬火硬化型磁钢,该类磁钢的矫顽力主要是通过高温淬火手段，把已经加工过的零件中的原始奥氏体组织转变为马氏体组织来获得,析出硬化型磁钢,永磁合金大致有以下三类：Fe-Cu系合金，主要用于铁簧继电器等方面；Fe-Co系合金，主要用于半固定装置的存储元件；AlNiCo系合金 ，是金属永磁材料中最重要的一类,矫顽力机理，以AlNiCo磁钢为例，,铁磁性相1（Fe或FeCo）在非磁性相2中，以单磁畴微粒子的形式析出，产生形状各向异性型高矫顽力,熔炼、铸锭,固溶化处理,磁场中冷却,时效处理,加工处理,检验出厂,铸型、配料,各向异性铝镍钴永
4、磁体的制备工艺简图,时效硬化型永磁合金,其矫顽力通过淬火、塑性变形和时效硬化的工艺获得,时效硬化型永磁合金可以分为以下几种：（1）-铁基合金，其磁能积较低，一般用在电话接收机上。（2）铁锰钛和铁钴钒合金。铁锰钛合金的磁性能相当于低钴钢，主要用于指南针和仪表零件等。铁钴钒硬磁合金磁 能积大约在2433kJ/m3 ，制造微型电机和录音机磁性零件 （3）铜基合金，其磁能积约为615kJ/m3，可用于测速仪和转速计 ；（4）Fe-Cr-Co系永磁合金 ，其基本成分为：20%33%Cr，3%25%Co，其余为铁，永磁性能类似于中等性能的Alnico永磁合金，用于扬声器、电度表、转速表、陀螺仪、空气滤波器
5、和磁显示器等,FeCrCo合金的磁性能,有序硬化型永磁合金,在高温下处于无序状态，经过适当的淬火和回火后，由无序相中析出弥散分布的有序相，从而提高了合金矫顽力。,5.4 铁氧体永磁,永磁铁氧体是由铁的氧化物和锶（或钡等）化合物按一定比例混合，经预烧、破碎、制粉、压制成型、烧结和磨加工而成,其电阻率远高于金属磁性材料，特别适宜在高频和微波波段应用,当前应用的永磁铁氧体主要为六角晶系的磁铅石型铁氧体，其化学式为MOxFe2O3，其中MBa，Sr，Ca或Pb等，有时又简称为M型铁氧体。,永磁铁氧体的磁性能较低，但由于原材料丰富、平均售价和性价比 高，抗退磁性优良，工艺简单成熟，不存在氧化问题，所以是
6、应用最广、需求量最大的磁性材料。,永磁铁氧体的制备工艺,整粒,各向异性,各向同性,外磁场,永磁铁氧体的应用,其余（磁辊等）10,电机（小型电动机等）50,电声（扬声器等）20,测量与控制器件（磁控管等）20,随着国内外汽车、家用电器、电动工具、仪器仪表等工业的快速发展，永磁铁氧体的用量还将持续增加,永磁铁氧体的应用领域和用量大致为：,示例,磁控管,电机,5.5 稀土永磁材料,5.5.1稀土永磁材料概述5.5.2钴基稀土永磁材料5.5.3Nd-Fe-B磁体的制备5.5.4Nd-Fe-B磁体的磁性能5.5.5影响Nd-Fe-B永磁体性能的因素5.5.6双相纳米晶复合永磁材料5.5.7Sm-Fe-N
7、系永磁材料,本节介绍的重要内容：,5.5.1 稀土永磁材料概述,稀土系永磁材料是稀土元素RE（Sm，Nd，Pr等）与过渡金属TM（Co，Fe等）所形成的一类高性能永磁材料。,稀土元素未满电子壳层为4f，由于受到5s，5p，6s电子层的屏蔽，其轨道磁矩未被“冻结”，因而原子磁矩大。自旋磁矩与轨道磁矩间的耦合作用很强，因此K和S很大，合金矫顽力高，但稀土原子间4f-4f电子云交换作用较弱，交换积分常数A较小，故合金居里温度低，很难实际应用。铁钴镍一类过渡族金属在室温下具有很强的铁磁性，同时具有高居里温度。于是，从50年代起人们开始对稀土-过渡族合金的磁性能进行了一些列深入的研究，并很快获得突破性进
8、展 ,元 素 周 期 表Periodic Table of Elements,镤,钍,锕,钚,镎,铀,锫,锔,镅,锎,镄,锿,铹,锘,钔,La,La,Ac,Ac,镨,铈,镧,钐,钷,钕,铽,钆,铕,镝,镥,铒,钬,镱,铥,稀土永磁分类,第三代稀土磁体,(BH)max160kJ/m3,(BH)max200240kJ/m3,(BH)max240460kJ/m3,第二代稀土磁体,第一代稀土磁体,2:17型Sm2TM17磁体,1:5型SmCo5磁体,R2Fe14B型Nd-Fe-B磁体,永磁材料的进化,KS钢,Co铁氧体,MK钢,NSK钢,Alnico5,Alnico5DG,针状Alnico,烧结SmC
9、o5,SmPrCo5,Sm(Co-Fe-Cu)5,Sm(Co-Fe-Cu-Zr)5,Nd2Fe14B(NEOMAX),Ba、Si铁氧体,Mn-Al,YCo5,SmCo5,FeCrCo,MnAlC,(BH)max（kJ/cm3）,(BH)max（MGsOe）,年份,5.5.2 钴基稀土永磁材料,1:5型SmCo5永磁体,RCo5合金具有六角结构。它由两种不同的原子层所组成，一层是呈六角形排列的钴原子，另一层由稀土原子和钴原子以1:2的比例排列而成。晶格常数a5.004，c3.971。c轴是易磁化轴。,SmCo5磁性能,SmCo5化合物具有很高的磁晶各向异性常数，K11519103kJ/m3，它的
10、MS0.89A/m，其理论磁能积达244.9kJ/m3。做成磁体以后，SmCo5永磁体的最高磁性能已达到Br1.07T；bHC851.7kA/m；(BH)max227.6kJ/m3。SmCo5的居里温度为740C，它可在50C150C的温度范围内工作，是一种较为理想的永磁体，已在现代科学技术与工业中得到广泛的应用。缺点是含有较多的战略金属钴和储藏较少的稀土金属Sm。原材料价格昂贵，其发展前景受到资源和价格的限制。,2:17型Sm2Co17永磁体,高温相,低温相,Sm2Co17磁性能,Sm2Co17具有高的内禀饱和磁化强度0MS1.2T，而且是易c轴的，居里温度TC也很高，TC926C，所以是很
11、理想的永磁材料。用Fe部分取代Sm2Co17化合物中的Co，所形成Sm2(Co0.3Fe0.7)17合金的0MS可高达1.63T，其理论最大磁能积可高到525.4kJ/m3。虽然Sm2Co17二元化合物是易c轴的，但它的矫顽力还是偏低，很难成为实用的永磁材料。,通过掺入其他元素的方法可以得到高性能的永磁材料，得到广泛应用的是Sm-Co-Cu-Fe-M系2:17型永磁体 ，即第二代稀土永磁,5.5.3 NdFeB磁体的制备,磁粉的制备是加工Nd-Fe-B磁体的关键工序，磁粉磁性能的好坏直接影响到磁体的磁性能。制备Nd-Fe-B磁粉的方法有： 机械破碎法 熔体快淬法 HDDR法 气体喷雾法 机械合
12、金化法,熔体快淬法,采用真空感应熔炼母合金，将母合金经石英管底部的喷嘴喷射到高速旋转的铜辊的表面上，以约105106k/s的冷却速度快速凝固,HDDR法,吸氢(hydrogenation),Nd2Fe14BHx+H2,NdH2+Fe+Fe2B,Nd+Fe+Fe2B+H2,Nd2Fe14B+H2,HDDR处理,分解(decomposition),脱氢(desorption),再结合(recombination),工艺流程,气体喷雾法和机械合金化法,气体喷雾法，是采用高压氩气将Nd-Fe-B溶液雾化成为细小的金属液滴，射向粉碎盘，最终获得极细的非晶和微晶粉末。这种方法的优点在于，省掉了中间的破碎环
13、节，制成的磁粉即可用于制备烧结磁体，也可用于制备粘结磁体。机械合金化，是将Nd-Fe-B合金铸锭破碎成粗粉，然后长时间的高能球磨，再将产物在适当条件下进行退火处理，这样可以得到与快淬法相同的微观组织。机械合金化法和快淬法有异曲同工之妙，但其成本较低，也是一种有前途的制备方法。,Nd-Fe-B磁体分类,Nd-Fe-B永磁体,满足高矫顽力、高磁能积要求市场已打开,电子、电气设备的小型化领域市场在逐步扩大,烧结永磁体,粘结永磁体,烧结Nd-Fe-B的制作工艺流程,合金熔炼、凝固,高频熔炼及铸造,平均粒径数m,实现磁各向异性,真空或氩气氛约1100,600 左右,磁场中压制成型,烧结,时效热处理,表面
14、处理,粘结Nd-Fe-B磁体的制备工艺,磁粉制备,混料,压制成型,固化,添加树脂、耦连剂,170,2h,压力为610t/cm2,最关键的步骤,5.5.4 Nd-Fe-B磁体的磁性能,各类Nd-Fe-B磁体的主要成分都是硬磁性的Nd2Fe14B相,以Nd15Fe77B8烧结磁体为例：,Nd2Fe14B（称为T1的铁磁性相）为主相，非磁性Nd1.1Fe4B4相（称为T2相）及富Nd相围在主相的晶粒边界,Nd2Fe14B相结构,Nd2Fe14B相属于四角晶体，空间群P42/mnm，晶格常数a=0.882nm，c=1.224nm，具有单轴各向异性,8j2晶位上的Fe原子处于其它Fe原子组成的六棱锥的顶
15、点，其最近邻Fe原子数最多，对磁性有很大影响,Nd2Fe14B相的内禀磁特性：,Nd2Fe14B相结构决定了其内禀磁特性 ：,居里温度TC585K；室温各向异性常数K1=4.2MJ/m3，K2=0.7MJ/m3，各向异性场0Ha=6.7T；室温饱和磁极化强度JS=1.61T。,Nd2Fe14B硬磁性晶粒的基本磁畴结构参数为：,畴壁能量密度3.510-2J/m2，畴壁厚度B5nm，单畴粒子临界尺寸为d0.3m,Nd-Fe-B磁体的磁性能,Nd-Fe-B磁体除了Nd2Fe14B硬磁性、富Nd相和富B相外，还有一些Nd氧化物和-Fe、FeB、FeNd等软磁性相。Nd-Fe-B磁体的磁性主要是由硬磁性
16、相Nd2Fe14B决定。弱磁性相及非磁性相隔离或减弱主相磁性耦合的作用，提高了磁体的矫顽力，但降低了饱和磁化强度和剩磁。同时，由配方和制备工艺也影响永磁体的宏观磁性能：,本征矫顽力0HCJ约为1.22.5T；剩余磁化强度Br从0.8T（各向同性粘结磁体）到1.21.5T（取向烧结磁体）；最大磁能积(BH)max的工业生产水平分别为80160kJ/m3（粘结磁体）及240320kJ/m3（烧结磁体），实验室水平已达到410460kJ/m3，约为理论值的80%,5.5.5 影响Nd-Fe-B永磁体性能的因素,凡是影响Nd-Fe-B中各晶粒之间的相互作用以及Nd2Fe14B晶粒中R和TM两种亚晶格之
17、间的相互作用的因素都会对Nd-Fe-B磁体的性能产生影响：,添加元素；,改善磁粉和晶粒度；,提高定向度；,控制含氧量；,磁体的热稳定性,5.5.6 双相纳米晶复合永磁材料,Nd2Fe14B高内禀矫顽力,-Fe 饱和磁化强度高、易充磁,异想天开？,一种磁体既具有硬磁性相的高内禀矫顽力，又具有软磁性相的饱和磁化强度高、易充磁的优点,纳米复相的优点,在硬磁性相基体中均匀分布有软磁相颗粒，这种“多相复合磁体”就会集硬磁相合软磁相的优点于一身：,硬磁性相提供足够高的磁晶各向异性，软磁性相提高尽可能高的饱和磁极化强度,同时，由于软磁性相的存在，磁体整体成本下降，抗腐蚀性提高！,纳米复相的原理,双相复合磁体
18、中，有三种交换耦合作用：即硬磁相与硬磁相之间的作用、硬磁相与软磁相之间的作用和软磁相与软磁相之间的作用。其中，以硬磁相与软磁相之间的作用最为重要。,只有在纳米尺度内，耦合区域才能占一定的体积分数，交换耦合作用才能体现出来,在外磁场作用下，由于耦合作用-Fe相中的磁极化强度随Nd2Fe14B相中的磁极化强度一起转动，在退磁过程中也表现出与单一硬磁相一样的性质，于是出现了剩磁增强效应和光滑退磁曲线。,纳米复相Nd-Fe-B永磁材料的制备工艺,为了使纳米复相Nd-Fe-B永磁体具有优异的磁性能，要求磁体内两相界面处共格，两相要从同一母相中产生出来,熔体快淬法, HDDR法,机械合金化法,磁控溅射法,
19、制备工艺通常有下面几种：,5.5.7 Sm-Fe-N系永磁材料,Nd-Fe-B永磁有两大缺点：,磁性温度稳定性差,抗腐蚀性能差,因为主相Nd2Fe14B的居里温度低，各向异性场也较低,各相间电极电位不同所致,研究发现：,Sm-Fe-N是一种很有发展前途的永磁材料,Sm2Fe17Nx合金的晶体结构,Sm2Fe17Nx合金具有与其母合金Sm2Fe17相同的菱形的Th2Zn17型结构,N只能占据三个八面体间隙位置,因此， Sm2Fe17Nx中x3,Sm2Fe17Nx合金性能,Sm2Fe17氮化后点阵常数、晶胞体积和磁性能都发生了很大变化。,Sm2Fe17Nx合金氮化反应,Sm2Fe17Nx化合物是S
20、m2Fe17与含氮气体发生气相-固相反应而生成 ：,含氮气体可以是： N2，N2+H2，NH3，或NH3+H2,Sm2Fe17Nx合金氮化反应过程, N原子从氮化相中向N原子含量低的相中扩散,一般认为，在这个气-固反应中发生了以下几个过程：, N2或NH3在气相中扩散并且在金属表面产生物理吸附。, N2或NH3分解出N原子和H原子，N原子和H原子在金属表面产生化学吸附。, N原子和H原子进入金属内部, N原子和H原子在金属内部扩散。,形成氮化相,如何氮化，得到高性能磁体，是困扰人们的难题！,Sm2Fe17Nx磁体制备方法,Sm2Fe17Nx磁体在高于600时会发生分解 ：,因此， Sm2Fe17Nx磁粉只能用于制造粘结永磁体,按照制粉方法不同， Sm2Fe17Nx磁体大致有四种制备方法：,熔体快淬法,机械合金化法, HDDR法,粉末冶金法,熔体快淬法（RQ） 机械合金化法（MA） HDDR法（HDDR） 粉末冶金法（PM）,1. 永磁材料的主要磁技术参量及测量？2. 双相纳米晶复合永磁体材料的研究现状与发展趋势？3. 软磁材料主要磁技术参量及测定？4. 铁氧体软磁材料的研究现状与发展趋势5. 磁性复合材料的研究现状与发展趋势6. 聚合物磁性材料的研究现状与发展趋势7. 磁性材料在磁记录领域的应用,作业,Thank you!,
