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1、概述永磁材料的理论基础金属永磁材料铁氧体永磁材料,第三章 永磁材料,3.1 概述,应用：精密的仪器仪表；电讯、电声器件；工业设备；控制器件；其它器件。作用原理利用永磁材料在给定的空间产生一定的磁场强度；利用永磁合金的磁滞特性产生转动矩，使电能转化为机械能。特点充磁后，去掉外磁场后仍可保留磁性。,3.2.1 永磁材料分类及特性要求3.2.2 永磁材料的矫顽力机理3.2.3 提高永磁特性的措施,3.2 永磁材料理论基础,3.2.1 永磁材料的分类与特性要求,什么是永磁材料？常见的磁滞回线是什么样子？分类特性要求,2、常见的磁滞回线是什么样子？,所谓永磁材料，是指材料被外磁场磁化以后，去掉磁场仍保持
2、着较强的剩磁的磁性材料。,什么是永磁材料？,永磁材料可分为：金属永磁材料和铁氧体永磁材料两大类；金属永磁材料按不同的分类方法可分许多类。按成分分：碳钢、铝铝镍钴、合金稀土合金按工艺分：铸造型烧结型粘结型按高矫顽力机理分：单畴型、成核型、钉扎型、高应力型；,3 永磁材料分类,4、永磁体的特性要求,4、永磁体的特性要求,（1）、对永磁特性参数的要求剩余磁感应强度高矫顽力HCJ和HCB高（BH）max要大曲线的退磁凸出系数趋于1，=（BH）m/(BrHc)；稳定性好。温度稳定性、磁场稳定性、时间稳定性（2）、将永磁体选用在最佳工作点，即最大磁能 积点 附近。（3）、经济性好,部分永磁材料的性能,3.
3、2.2 永磁材料矫顽力机理,磁化机理：不可逆壁移、磁畴内磁化矢量的不可逆转动；矫顽力Hc的定义BHc：使磁感应强度B=0所需的磁场值；MHc：使磁感应强度M=0所需的磁场值；,1、单畴型永磁材料的矫顽力磁晶各向异性能决定的矫顽力形状各向异性能决定的矫顽力,2、成核型永磁材料的矫顽力,3、钉扎型永磁材料的矫顽力点缺陷钉扎的矫顽力面缺陷钉扎的矫顽力,(1)单轴晶体材料的矫顽力（RCo5、R2Co17等六角晶系）a 对于单畴颗粒：（当=180）（当=135）式中 为单畴晶系的磁晶各向异性常数；为磁场与易磁化畴间的夹角。b 对单畴集合体（当不考虑粒子之间的相互作用）：（各向异性）（各向同性）,1、单畴
4、型永磁材料的矫顽力磁晶各向异性能决定的矫顽力,(2)立方晶体材料的矫顽力：（如AlNiCo、FeCrCo等）a 对于单畴颗粒：b 对单畴集合体（当不考虑粒子之间的相互作用）：(K1 0,各向同性）,(1)单畴颗粒：椭圆形单畴，时：式中Nd 为椭圆球短轴 d 方向的退磁因子；Nl为椭球长轴 l 方向的退磁因子。（2）单畴集合体（当不考虑粒子间的相互作用）（各向异性）（各向同性）当考虑粒子间相互作用时：（各向异性）（各向同性）,1、单畴型永磁材料的矫顽力形状各向异性能决定的矫顽力,2、成核型永磁材料的矫顽力,磁化时会形成反磁化核，并长大成反磁化畴，出现畴壁，当的磁化场达到临界场时畴壁迅速移动而实现
5、磁化式中，临界场平均值；畴壁能（密度）；d0 临界短轴长。（d d0 时，反磁化核才能从长轴和短轴方向长大）。,3、钉扎型永磁材料的矫顽力,畴壁钉扎：是指在材料反磁化过程中，当反向磁场低于某一钉扎场Hp时，畴壁基本上固定不动。只有当反向磁场超过钉扎场Hp时，畴壁才能挣脱束缚，开始发生不可逆位移。点缺陷、位错、晶界、堆垛、层错等有关的局域性交换作用和局域性各向异性起伏等都可以是畴壁钉扎点的重要来源,3、钉扎型永磁材料的矫顽力,（1）点缺陷钉扎的矫顽力 式中，点缺陷密度；E0 E（y）的常数；r畴壁能密度；Lz畴壁在Z方向的尺度 0畴壁基本厚度。点缺陷越多，与畴壁的相互作用能越大、畴壁越窄，其Hc
6、越高,3、钉扎型永磁材料的矫顽力,（2）面缺陷钉扎的矫顽力式中A、K、Ms为均匀区的磁参数，A/、K/、M2为缺陷区的磁参数 面缺陷的钉扎作用和点缺陷类似，是通过交换作用能、磁晶各向异性能、磁弹性能等的综合作用，而形成面缺陷与畴壁的相互作用能，使畴壁能最低。,面缺陷钉扎畴壁是决定矫顽力的一种普遍机理，适用于金属用词和软磁材料（坡莫合金除外）；畴壁愈薄），面缺陷的影响便愈严重，矫顽力愈大；面缺陷内的交换能常数、磁各向异性常数和饱和磁化强度越小，则矫顽力愈大。,相变、脱溶和失稳分解,一、固态相变1、定义当外界条件（温度、压强）作连续变化时，固体物质在确定的条件下，其化学成分或浓度、结构类型、晶体组
7、织、有序度、体积、形状、物理特性等一项或多项发生突变。2、相变的驱动力和阻力 相变的方向 G0 G=VgvVV 驱动力：Vgv 总的化学自由能 阻力：总界面能V和总应变能V3、金属磁性材料的固态相变主要通过热处理工艺来控制。对于软磁，常通过高温退火，让材料在室温附近保持均匀的单相，使界面能和应变能尽量降低，以获得高（）和低（Hc），对于永磁常通过淬火和低温时效处理，让材料具有多相结构，来提高（Br）和（Hc）。,二、过饱和固溶体的脱溶1、定义：过饱和固溶体析出第二相，而其母相仍然保留，但浓度由过饱和达到饱和的相变。条件：固溶度随温度、成份、压强变化。2、分类连续脱溶不连续脱溶3、脱溶过程 GP
8、区“：母相 GP区：溶质原子偏聚区、“：过渡相：新相 平衡相：应变能最小，界面能最高；过渡相；应变能居中而偏高，界面能居中而偏低GP区：界面能和应变能较小4、脱熔对磁性合金的影响、金属软磁合金使杂质从合金中脱熔；控制杂质的分布状态。可以有效地改善合金的软磁特性。金属永磁合金脱溶对金属永磁特性的提高有重要作用，特别是析出硬化磁钢。,3、脱溶过程 GP区“：母相 GP区：溶质原子偏聚区、“：过渡相：新相 平衡相：应变能最小，界面能最高；过渡相；应变能居中而偏高，界面能居中而偏低GP区：界面能和应变能较小4、脱熔对磁性合金的影响、金属软磁合金使杂质从合金中脱熔；控制杂质的分布状态。可以有效地改善合金
9、的软磁特性。金属永磁合金脱溶对金属永磁特性的提高有重要作用，特别是析出硬化磁钢,三、失稳分解过饱和固溶体的脱溶大部分为不连续的局部脱溶，形成非均匀的混合固溶体。但是当合金的成分、系统温度、压强、时效时间等条件综合变化到适当的状态范围，也可以发生全域性均匀的普遍脱熔，也就是发生匀相转变。其中失稳分解就是这种匀相转变中的很重要的一类。1、概念当均匀固溶体中自由能与成份的关系满足 时，此固溶体就会失去稳定，而出现幅度越来越大的成分涨落，并最终分解为两相。2、特点匀相转变，全域性的均匀、连续分解，系统中各处几乎是同时发生，并非形核成长过程。浓度波幅度越来越大的涨落是依靠逆扩散来进行的。产生的两相和母相
10、的晶格类型是相同 的，仅晶格常数稍有偏差。3、对金属永磁材料的影响分解时，控制磁性相成单畴，或造成对畴壁的钉扎。可使材料获得极高的矫顽力，具有优异的永磁特性。,金属磁性材料的织构化,一、织构化的概念在材料结构一定的情况下，其晶粒或磁畴在一个方向上成规则排列的状态，称为织构。使多晶材料产生织构就是织构化。织构的种类：结晶织构磁性织构双重织构,二、磁性织构的形成、磁场热处理将磁性材料加热到居里温度附近，这时加上直流磁场，让磁性材料在磁场中保温一定时间并慢冷（或控速冷却）到室温。所加磁场的方向为该材料的宏观易磁化方向。磁伸缩理论能解释部分材料的磁场热处理效果纯金属s0，无磁场热处理效果合金s0，却仍
11、然磁场热处理效果好奈耳谷口原子对方向性有序化理论、磁场成型将具有形状各向异性的非单畴永磁粉末，在磁场中压制或成型（挤压、注塑）制成粘结体，或再经适当温度烧结成永磁体，这些永磁体就具有磁性织构。,二、结晶织构的形成、反复冷轧热处理 应力感生方向有序排列和晶格滑移感生方向有序排列、定向结晶使磁性合金从熔融状态开始，严格控制温度梯度进行冷却，让结晶沿一定方向进行，从而得到定向结晶。冷金属板法发热铸型法蜂巢铸型法,3.2.4 提高永磁特性的措施 永磁材料磁性的优劣主要由最大磁能积（BH）m判定，而（BH）m又取决于Br、Hc及隆起度w。一般Br变化范围小，如由0.2至1.5T,仅相差约8倍;而 Hc变
12、化范围大,如由4103至8103安/米,相差200倍,w可在0.0250.85间变化。,一、剩磁Br提高MS(MS由成分决定）对于成分给定的永磁材料，提高Br/Bs的比值定向结晶（铝镍钴系列）磁场热处理（铝镍钴系列）磁场成型 结晶定向、磁畴定向,二、矫顽力Hc 不可逆壁移 磁畴内磁化矢量的不可逆转动是使残余磁感应强度变为零时所需的反向磁场的大小，主要依赖增加畴壁位移和畴转的阻力增大Hc值。如果Hc是由壁移机制决定的，可在合金内增加应力梯度及非磁性相来增加Hc。这种机制只能获得较低的Hc值若Hc是由畴转过程决定的，则磁畴在不可逆转动过程中受到的阻力就是Hc值的度量。这时依赖于造成单畴粒子或弥散的
13、单畴脱溶相及其三种各向异性（磁晶、应力及形状）来增加畴转的阻力，从而获得高的Hc值。,畴壁钉扎：是指在材料反磁化过程中，当反向磁场低于某一钉扎场Hp时，畴壁基本上固定不动。只有当反向磁场超过钉扎场Hp时，畴壁才能挣脱束缚，开始发生不可逆位移。点缺陷、位错、晶界、堆垛、层错等有关的局域性交换作用和局域性各向异性起伏等都可以是畴壁钉扎点的重要来源,三、隆起度组织敏感参数。w是永磁材料的晶体织构和磁结构程度的外观表现。可利用定向结晶，磁场及应力热处理等方法来提高w。,四、稳定性=（Z/Z）100%不可逆变化自然变化可逆变化当条件复原或重新充磁，永磁体的性能可以恢复。如温度、外磁场干扰、机械冲击、振动
14、等。,措施：选择高的Hc,高f 配方，并可添加有益杂质，以及利用不同系列合金，正负温度等效互相补偿来提高稳定性。时效处理，进行人工老化（时效温度比工作温度高3050摄氏度）。温度 循环处理，在比工作温度范围宽的温度，反复循环多次。交流退磁处理，在比干扰场稍大的交流磁场中退磁。正确选择永磁体的工作点。利用热磁合金进行外补偿，可以提高温度稳定性。,3.3金属永磁材料,3.3.1 发展概述 3.3.2 金属永磁材料3.3.2 稀土永磁材料,3.3.1 发展概述,1880年，碳钢，1931年，铝镍铁、铝镍钴等 20世纪30年代，铁氧体20世纪60年代，Sm-Co系稀土永磁材料20世纪80年代，Nd-F
15、e-B系稀土永磁材料近年来，交换耦合作用机制的纳米双相永磁材料 RE-Fe-N系永磁体,3.3.2 金属永磁材料,3.3.2.1 淬火硬化型磁钢3.3.2.2 析出硬化型磁钢3.3.2.3 时效硬化型磁钢,3.3.2.1 淬火硬化型磁钢,这一类材料主要包括碳钢、钨钢、钴钢和铝钢等；矫顽力主要通过高温淬火手段这类材料已很少使用,3.3.2.2 析出硬化型磁钢,这一类材料主要包括Fe-Cu、Fe-Co和 Al-Ni-Co三类；Fe-Cu主要用于铁簧继电器等方面；Fe-Co主要用于某些存储单元；Al-Ni-Co系在20世纪70年代几乎成了永磁材料的代名词,矫顽力机理,？,Al-Ni-Co永磁材料的矫
16、顽力机理,析出硬化型永磁材料，又称沉淀硬化型磁钢，其矫顽力是在合金冷却过程中获得的，通过失稳分解沉淀出近似单畴大小的伸长形磁性相弥散分布于弱磁性相中，利用磁性相的形状各向异性，其反磁化依靠磁矩的非均匀转动。,Hc是由畴转过程决定的，则磁畴在不可逆转动过程中受到的阻力就是Hc值的度量。这时依赖于造成单畴粒子或弥散的单畴脱溶相及其三种各向异性（磁晶、应力及形状）来增加畴转的阻力，从而获得高的Hc值。,？,Hc,立方晶系单畴颗粒,Al-Ni-Co永磁材料的制备工艺,各向异性铝镍钴永磁体的制备工艺如下：,主要包括配料、熔炼、固溶化处理、热处理等,？,如何通过控制制备工艺过程获得高Hc的铝镍钴材料？工艺
17、进程中的每一步分别起什么作用？,配料：成分优化设计熔炼：均匀化固溶化处理：形成单相固溶体磁场热处理：发生失稳分解（1、2），同时形成磁性织构时效处理：调整两相间化学成分的浓度，提高永磁性能,主配方其它合金元素在合金中添加Nb(0.51%)，B(0.05%)元素可提高密度和磁性能，添加S(0.5%)、Hf(0.5%)元素可减低合金脆性，改善加工性能，添加Si(1%)、Bi(0.13%)和Te(0.53.0%)元素则可促进柱状晶长大，磁性能提高。,在实际应用中，AlNiCo合金有AlNiCo5和AlNiCo8两种，AlNiCo5的成份为14.5%Ni8%Al24%Co3%Cu余Feat%，AlNi
18、Co8的成份为1415%Ni78Al%34%Co 3%Cu 5%Ti余Fe at%合金从高温冷却到900附近时，为单相固溶体，继续冷却并适当控制冷速的情况下，于850以下发生失稳分解，分解为两相12，其析出相1和基体相2是共晶格的，分解初期没有明显的相界面，1和2两相均仍属体心立方，其晶格常数a都为2.87左右，合金内部形成组元浓度周期性起伏的调幅结构。当于600进行回火时，合金中不仅发生1相长大(呈伸长形)，同时由于2相中过溶的Fe和Co在回火温度下容易向1相中扩散，即发生回溶现象，另一方面，1相又将过溶的Ni和Al扩散到2相，发生Ni、Al的脱溶，使合金中1和2相之间的成份和磁化强度差别增
19、大，从而导致合金获得良好的永磁性能。,研究表明，高温固熔后的AlNiCo合金在900780的控速冷却过程中，如果对合金外加磁场，即进行磁场热处理，则合金的磁滞回线将发生显著的变化，尤其是退磁曲线的凸出系数明显提高，这是由于合金中形成了磁性织构的缘故，1相的长轴顺着磁场方向排列，具有感生单轴各向异性，影响磁场热处理效果的因素有三个：磁场热处理的有效温度范围；冷却速度；外加磁场大小,AlNiFe系合金：主要成份是Fe55-70at%，Ni 2035at%,Al 1016at%，还可添加少量其他元素。含有5060%Fe的AlNiFe三元合金在1000以上是单相的固溶体，晶体结构为体心立方结构，a=2
20、.87;在900以下时，分解为两相12，其中铁磁性相1颗粒尺寸很小，近似单畴尺寸，且具有形状各向异性，1相均匀弥散分布于弱磁性2相基体中，由2相将1相分割包围，使得磁化和反磁化过程只有通过磁化矢量的转动来实现，故而获得高矫顽力。特别注意的是，在AlNiFe系合金的制造工艺中，可以通过控制冷却速度来实现1+2析出或分解过程的控制，而获得最佳永磁特性的冷却速度称为临界冷却速度，它与相分解的相变温度和合金成份两个因素有关,铸造铝镍钴合金永磁的磁能,3.3.2.3 时效硬化型永磁合金,这类合金机械性能好，可通过冲压、轧制、车削等手段加工成各种带材、片材和板材；介绍几种有代表性的可加工永磁合金-铁基合金
21、，包括钴钼、铁钨钴和铁钼钴等合金，其磁能积较低，用在电话接收机中；铁锰钛和铁钴钒合金；主要用于指南针和仪表零件；铜基合金，主要有铜镍铁和铜镍钴，可用于测速仪和转速计；Fe-Cr-Co系合金，其永磁性能类似于AlNiCo永磁合金，主要用于扬声器、电度表、转速表、陀螺仪、空气滤波器和磁显示器等方面。,3.3.2.4 有序硬化型永磁合金,这类永磁合金包括银锰铝、钴铂、铁铂、锰铝和锰铝碳合金。这类合金的显著特点是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，从而提高了合金的矫顽力。这类合金一般用来制造磁性弹簧，小型仪表元件和小型磁力马达的磁系统等。,3.3.3 稀土永磁
22、合金,是稀土金属和过渡族金属形成的金属间化合物。是目前具有最高永磁特性的永磁材料。近几十年，稀土永磁材目前在科研、生产和应用方面得到了很大的发展，其应用已经渗透到国民经济各个领域，成为当代新技术的重要物质基础。,自20世纪60年代起，已经历了三个阶段的发展：六十年代第一代稀土永磁（1:5型R-Co永磁）七十年代第二代稀土永磁（2:17型R-Co永磁）八十年代第三代稀土永磁（R-Fe-B永磁）,我国稀土永磁材料发展概况,这类稀土永磁中最先出现的是SmCo5，其永磁性能优良，但由于其中含稀缺、昂贵的Sm和Co，造成SmCo5价格较高，故而人们努力用储量较多的富稀土元素取代Sm，用Cu、Fe等取代C
23、o，因此又相继发展了PrCo5、(SmPr)Co5以及Ce(Co、Cu、Fe)5等永磁材料,3.3.3.1 RCo5型稀土永磁材料,Sm-Co之间可形成七种金属间化合物(Sm2Co17、SmCo5、Sm2Co7、SmCo3、SmCo2、Sm4Co9)；RCo5型稀土永磁材料具有CaCu5型晶体结构，属六角晶系，由Co原子层和Co、R混合原子层相间重叠而成，其C轴为易磁化轴；在RCo5型中，SmCo5具有最高的磁晶各向异性常数，K(1519)103 kJm-3，HA=31840kAm-1,Tc=740，Ms=890kAm-1 SmCo5永磁性能：Br=1.07T，BHc=851.7kAm-1、M
24、Hc=1273.6kAm-1，(BH)max=227.6kJm-3可在-50150范围内工作,一、SmCo5 永磁材料成分和结构,二、SmCo5 永磁矫顽力机理,单畴矫顽力理论单畴颗粒和磁化强度可近似看做均匀转动，它的Hcj和Ku成正比。实际情况这类合金的矫顽力比理论值低得多（十分之一）。SmCo5单畴临界尺寸为d0=0.31.6m,而实际获得最高矫顽力的颗粒尺寸D=520m。且Hcj和Ku不成正比。晶界、晶体缺陷和第二相对畴壁的钉扎效应由反磁化畴的形核与长大的临界场Hs决定,？,？,？,单轴晶体材料的矫顽力（RCo5、R2Co17等六角晶系）a 对于单畴颗粒：（当=180）（当=135）,理
25、论值,认为是由于第二相(如沉淀相Sm2Co7)成为反磁化核，故而材料的MHc由反磁化畴的形核与长大的临界场决定，计算得知沉淀相的形核场Hn大约为796km-1，这与实验值吻合很好，由此看来，反磁化核主要在沉淀相的相界面形成。,热处理对SmCo5矫顽力的影响,烧结温度对SmCo5磁性能的影响,1.粉末冶金法：配料熔炼磨粉磁场成型烧结热处理磨加工检验 2.还原扩散法：原料准备混料还原扩散去除钙和氧化钙磨料干燥磁场成型烧结热处理磨加工检验,SmCo5永磁材料制备认识方法与工艺,注意的问题：由于稀土元素容易挥发和氧化，在配方时应补足可能发生的损 失量，以免成份偏析；制粉应在介质(如甲苯、航空汽油等)保
26、护下进行振动球磨；烧结中应添加适量的液相合金(如60wt%Sm+40wt%Co)并注意 控制烧结温度和降温模式。表列出了不同烧结温度下SmCo5的 磁性能，可见1150烧结时，材料磁性能最好；SmCo5永磁在500800范围内回火或在此区间缓慢冷却，其矫顽 力大幅度降低，这称为“750回火效应”，若再在900950加热并 淬火时，其矫顽力又可部分或全部回复，这一现象在其它RCo5永磁 中也存在,3.3.2 R2TM17型稀土永磁,R2TM17多数属于菱方晶系Sm2Co17是稀土永磁合金中磁稳定性最好的一种，居里温度很高，Tc=926，对于高温下的应用具有重要的意义。单相型R2（Co、Fe）17
27、永磁的矫顽力由反磁化畴的形核、长大的临界场决定，其性能不高，工艺不易控制。以Sm-Co-Cu三元系为基础发展起来的2：17型稀土永磁，是时效硬化型材料，其中，Sm-Co-Cu-Fe-M系2：17型 永磁，代表第二代稀土永磁，已在工业上得到广泛应用。其中Sm2（Co、Cu、Fe、Zr）17合金的磁性能最好，并已商品化,一、Sm2Co17 永磁材料成分和结构,这种合金的成分可表达为：Sm（Co1-u-v-wCuuFevMw）z其中：=7.08.3，W=0.010.03，u=0.050.08，v=0.150.30，M=Zr、Hf、Ti、Ni等金属原子。,Sm2(Co、Cu、Fe、Zr)17合金磁性能
28、最好，Br0.91.197T、BHc493.5796kAm-1、MHc525.32388kAm-1、(BH)max 175.1251.5kJm-3,Tc840870，Br=-0.002%-1，可在-60350范围工作，其缺点是Sm和Co的含量仍然较高，并且工艺复杂。,合金元素对合金性能的影响1、Sm含量对合金性能的影响对合金的矫顽力影响很大，同时也影响退磁曲线的方形度。2、Fe含量对合金性能的影响随Fe含量的增加，合金的Bs迅速提高；同时Fe有促进胞状组织形成的作用，随Fe含量的增加，Hcj也提高。3、Cu含量对合金性能的影响随Cu含量的增加，合金的Hcj迅速提高;而Br和K下降。4、Zr含量
29、对合金性能的影响提高Hcj和退磁曲线方形度起关键作用。同时含Zr的合金的矫顽力 对热处理工艺十分敏感；Zr加入，可使合金中Fe含量增加，而使Cu和Sm含量减少。,二、Sm2Co17 永磁矫顽力机理,？,单轴晶体材料的矫顽力（RCo5、R2Co17等六角晶系）a 对于单畴颗粒：（当=180）（当=135）,目前普遍认为，Sm2(Co、Cu、Fe、Zr)17型稀土永磁合金的矫顽力是沉淀相对畴壁的钉扎来决定的.,矫顽力相关研究,Sm2Co17永磁材料制备方法与工艺,Sm2（Co、Cu、Fe、Zr）17永磁合金的热处理11901220/烧结12h11301175/固溶处理0.52h后快冷750850/
30、等温时效0.510h分级时效或控速冷却,合金磁性能随时效处理的变化,3.3.3 Nd-Fe-B系稀土永磁,一、R-Fe-B磁体的特征二、Nd-Fe-B磁体的成分和结构三、Nd-Fe-B磁体的制备四、矫顽力机理五、稳定性,第三代铁基稀土永磁，不含战略物质Co和Ni；自1983年开发以来，已由R-Fe-B三元系发展到（Nd、HR）-FeM1M2-B七元系合金；生产工艺多种多样，如烧结法、熔体快淬法、粘结法、机械合金化法等。它能吸起相当于自重640倍的重物，而铁氧体只能吸起自重的120倍；居里温度不高，稳定性差。,一、R-Fe-B磁体的特征与现状,烧结磁体,粘结磁体,从制造方法上来说，Nd-Fe-B
31、系永磁材料主要包括：烧结永磁和粘结永磁,烧结Nd-Fe-B永磁材料的生产技术与性能已基本趋于完善，磁能积的实验值己达到理论值的80%以上。烧结Nd-Fe-B永磁材料已经在汽车、计算机、通讯、医疗、仪器仪表、家用电器等领域中得到广泛应用。随着工业自动化和信息技术的蓬勃发展，钦铁硼永磁材料在计算机、工业自动化、通讯、交通、医疗、航空航天等的领域得到广泛应用。在高新技术领域，对高性能钦铁硼磁体的需求日益增长，用它制成的器件具有性能优异、重量轻、体积小、能量大、节能、增效等一系列优点。,烧结磁体,粘结Nd-Fe-B永磁体可一次成型，具有尺寸精度高，不变形，无需二次加工、形态自由度；便于大批量自动化生产
32、；磁性能一致、机械强度高，密度小，耐腐蚀等；广泛应用于办公自动化、仪器仪表、计算机、通讯、汽车等领域.随着科学技术尤其是电子信息技术的飞速发展，市场对磁性材料及磁性元件在形状复杂度、尺寸精度、小型化、轻量化、智能化、整体成形化等方面提出了更高的要求，这为粉末注射成型技术在永磁材料行业的应用提供了巨大的机会,粘结磁体,二、Nd-Fe-B永磁的成分和结构,1、成分Nd11.76+xFe82.35-x-yB5.88+y,大约为Nd15Fe77B8，以Nd2Fe14B化合物为基，并富B和富Nd。,2、结构,2、结构（1）Nd2Fe14B四方相、富Nd相和富B相Nd2Fe14B化合物一个单胞中由4个分子
33、组成，有68个原子；它们构成四方结构，易磁化轴为c轴；铁磁性。（2）富Nd相，沿晶粒边界分布，其作用为：能助熔促进烧结，使磁体致密化，Br提高沿晶界分布，有利于矫顽力的提高。易氧化，抗蚀性差。（3）富B相，大部分沿晶界分布。B为四方相形成的关键，但过多会 使合金的Br下降。,三、Nd-Fe-B磁体的制备,粘结磁体的制备烧结磁体的制备,（一）粘结磁体的制备,磁粉制备磁体制备,什么是粘结磁体？,磁粉制备,工艺主要包括：母合金制备、快淬薄带、晶化、破碎、热处理等,磁体的制备粘结磁体是由水磁体粉末与可挠性好的橡胶或质硬量轻的塑料、橡胶等粘结材料相混合，按用户需求直接成型为各种形状的水磁部件。但同时由于
34、粘接剂的加入水磁体的最大磁能积和磁化强度等出现一定程度的下降。粘结磁体的磁粉通常通过熔体决淬的方法制备。磁粉粒度、粘结剂的添加量、成形压力和固化温度等都是影响磁体最终性能的重要因素。,粘结磁体制备,（二）烧结磁体的制备,四、Nd-Fe-B磁体的磁性能,内禀磁性,磁体的制备,居里温度各向异性场饱和磁化强度,？,居里温度内禀磁性,饱和磁化强度内禀磁性,各向异性场内禀磁性,Nd2Fe14B硬磁相的内禀磁性参数：居里温度：585K室温下各向异性常数K1=4.2MJ/m3、K2=0.7MJ/m3，各向 异性场为6.7T室温下饷磁化强度为1.61T;单畴粒子的临界尺寸为0.3m;,？,调控微观结构及形貌,
35、成分结构,优异永磁性能,富Nd相，沿晶粒边界分布，其作用为：能助熔促进烧结，使磁体致密化，Br提高沿晶界分布，有利于矫顽力的提高。易氧化，抗蚀性差。富B相，大部分沿晶界分布。B为四方相形成的关键，但过多会 使合金的Br下降。,四、矫顽力机理认为普遍由于畴壁位移机理引起的。但到底是成核型硬化还是钉扎型硬化目前尚有争论；多数人认为为成核型，且与温度范围有关；对于烧结型NdFeB，370K以下为成核型，370K以上为钉扎型；快淬型NdFeB，520K以下为成核型，520K以上为钉扎型；显微结构、相结构、磁结构等,五、稳定性 目前，R-Fe-B系合金的缺点是磁稳定性差，Nd-Fe-B三元系永磁材料在2
36、0100范围内，磁感温度系数为Sm-Co合金的35倍，矫顽力温度系数为Sm-Co合金的23倍。原因合金的居里温度不高Nd和Fe都比较易氧化和腐蚀,提高其稳定性的措施提高合金本身的耐蚀性磁体表面形成保护膜降低环境温度1、提高合金本身的耐蚀性添加Al、Nb、Ga、Dy等元素，减缓氧化速度，提高矫顽力；添加Co以提高Tc；减少原料中和氯离子2、磁体表面形成保护膜金属涂层无机涂层有机涂层,3.4 双相纳米晶复合永磁材料,引言3.4.2 理论基础3.4.3 制备方法3.4.4 提高磁性能的方法,引言,同时具有硬磁性相的高矫顽力和软磁性相的高饱和磁化强度,?,双相纳米晶复合永磁材料,理论磁能积可达1MJ/
37、m3,理论基础,硬磁相与软磁相的简单堆积,Mr和Ms的关系应满足Stoner-Wohlfarth理论,交换耦合作用,所谓交换耦合作用是指在 是指硬磁相晶粒内部，磁极化强度受各向异性能的影响平行于易磁化轴，而在晶粒的边界处有一层“交换藕合区域”，在该区域内磁极化强度受到周围晶粒的影响偏离了易磁化轴，呈现磁紊乱状态。在剩磁状态下，必然会有一些晶粒的易磁化轴与原外加磁场方向一致这些晶粒中的磁极化强度会使得周围晶粒中交换藕合区域内的磁极化强度也大致停留在剩磁方向上，从而使得剩余磁极化强度有了明显的提高。如果永磁体中晶粒尺寸过大，则交换耦合区域所占的体积分数太小，交换藕合作用不甚明显。只有在纳米尺度内，
38、一般认为小于 3onm，这种交换耦合合作用才能真正起作用。另外，晶粒边界处不能有过多的界面相，否则这些界面相会削弱交换祸合作用。在双相复合磁体中，有三种交换藕合作用，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。剩磁增强效应和光滑的退磁曲线既是复合磁体的两个基本特征，也是判断交换祸合作用强弱的重要依据 很多学者运用微磁学理论结合有限元方法分别研究了这种纳米双相复合磁体的一维模型、二维各向同性模型、三维各向同性和各向异性模型。,交换耦合作用,制备方法,前提条件：要求磁体内两相界面处共格，两相从同一母相中产生出来，,制备方
39、法：快淬法HDDR法机械合金法薄膜技术（如磁控溅射法）,磁控溅射是制备交换藕合Nd2Fe14B-Fe 多层膜所通常采用的一种力法。近年来交换藕合Nd2Fe14B-Fe 多层膜技术受到广泛重视，它可以人为控制软硬磁相膜层的厚度，如通过调整工艺参数使磁休内相呈取向生长，则有可能制各出性能极高的各向异陕纳米晶复合水磁刊料,工艺如下：,分别用纯 Fe 靶和化学计量的 Nd2Fe14B 合金靶作阴极，用玻璃等材料作基底，在高压下，使磁控溅射室内的氩气发生电离，形成氩离子和电子组成的等离子体，其中氩离子在高压电场的作用下，高速轰击 Fe 靶或 Nd2Fe14B 合金靶，使靶材溅射到基体上，形成纳米晶薄膜或
40、非晶薄膜，然后晶化成纳米品薄膜。,提高性能的方法,真正受交换稿合作用影响的磁极化强度是那些处于晶粒边界交换耦合区域内的磁极化强度。交换藕合区域在整体材料中所占的体积含量越大，则交换拙合作用越明显，剩磁增强效应就越突出。基于这一因素考虑，细化晶粒就成为提高材料磁胜能的最直接，最有效的手段。,主要方法：l、添加合金元素合金化是改善材料的微观结构，提高材料性能的最常用方法。在决淬 NdFeB 水磁材料中，添加元素主要起两种作用：是添加元素原子直接进入 Nd2Fe14B 相的四方晶体结构，形成了 N d 2 Fe,M)14 B 相，改变了其内察磁学性质。是添加元素起到细化晶粒，调整晶化相分布形态的作用。2、快速退火3、磁场热处理,
