晶界液相扩散调控Nd云顶集团官方网站,张湘义团

来源:http://www.020tL.com 作者:新闻中心 人气:199 发布时间:2019-09-22
摘要:在稀土永磁材料领域,利用磁性相在纳米或亚微米等微观尺度下的耦合机制研究开发宏观磁均一的磁性材料工艺已较为成熟,然而对于更大尺度范围内磁耦合现象的研究,尤其是利用这

在稀土永磁材料领域,利用磁性相在纳米或亚微米等微观尺度下的耦合机制研究开发宏观磁均一的磁性材料工艺已较为成熟,然而对于更大尺度范围内磁耦合现象的研究,尤其是利用这种长程耦合机制,设计、开发新型高性能永磁材料的报道较少。近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所稀土磁性功能材料实验室永磁研究组,通过结构设计调控磁性相间长程磁耦合作用,从而实现微观到宏观尺度“软”和“硬”相复合,制备出具有复合结构的新型高性能永磁材料,并很好地诠释了稀土永磁材料体系中用短程交换耦合难以解释的诸多磁学问题。

在稀土永磁材料领域,利用磁性相在纳米或亚微米等微观尺度下的耦合机制研究开发宏观磁均一的磁性材料工艺已较为成熟,然而对于更大尺度范围内磁耦合现象的研究,尤其是利用这种长程耦合机制,设计、开发新型高性能永磁材料的报道较少。近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所稀土磁性功能材料实验室永磁研究组,通过结构设计调控磁性相间长程磁耦合作用,从而实现微观到宏观尺度“软”和“硬”相复合,制备出具有复合结构的新型高性能永磁材料,并很好地诠释了稀土永磁材料体系中用短程交换耦合难以解释的诸多磁学问题。

热变形工艺是制备纳米晶块状钕铁硼永磁的重要工艺之一,低熔点晶界相被认为是磁体通过流变获得织构的关键因素,因此缺少晶界相的贫稀土纳米复合磁体很难通过热变形工艺获得优异的晶体学和磁学织构。普遍认为,富稀土的低熔点合金在晶界中的存在,对纳米晶钕铁硼磁体的织构形成及其性能,尤其是矫顽力起着关键性的作用。

巧解困扰世界各国研究人员二十多年的“工程噩梦” 张湘义团队纳米复合永磁材料研究取得重要进展

针对热变形Nd-Fe-B磁体原始粉末颗粒大晶粒尺寸小的特点,研究组首先利用富含La、Ce等高丰度稀土的永磁粉末在几微米到几十微米间实现与Nd-Fe-B粉末的有效耦合,成功制备出宏观磁性能优异的高La、Ce热变形磁体:当30wt.%混合稀土取代基础上磁体最大磁能积云顶集团官方网站 1达43.5MGOe,矫顽力达1.07T;当20wt.%Ce取代时,最大磁能积云顶集团官方网站 2达39.1MGOe,矫顽力达1.20T。

云顶集团官方网站 3

中国科学院宁波材料技术与工程研究所稀土磁性功能材料实验室利用双合金可控扩散方法,首次通过在纳米双相磁体的晶界中人为引入Nd-Cu液相,使得纳米双相磁体在热变形过程中,得到了织构优化的微观组织结构,形成具有双相耦合和强织构的钕铁硼-铁复合块状磁体,纳米双相复合磁体的剩磁和矫顽力均得到明显的提升(Appl.Phys.Lett.102,072409。对磁体织构形成机制的分析表明,低熔点合金在压力作用下沿粉末表面流动,形成液相包覆结构,并在进一步的变形过程中发生沿晶界的扩散,使晶粒的织构化能力显著提升;同时引入的液相在晶粒间起到去磁耦合隔离的效应,大幅度提高了纳米双相热变形磁体的矫顽力(Scr.Mater.88,49-52,J.Alloy. Comp.623,386-392。

记者6月22日从燕山大学获悉,该大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室科研团队在纳米复合永磁材料研究领域取得重要进展:采用纳米化途径,团队使用较少的稀土金属,制备出了磁能积超过相应的纯稀土永磁材料的块体纳米复合材料。

继该工作之后,研究人员利用-Cu和Dy-Cu共熔合金扩散技术,分别制备具有宏观“核-壳”结构的无重稀土高矫顽力热变形Nd-Fe-B磁体和高磁能积热变形Nd-Fe-B磁体。该结构在元素分布和晶粒尺寸等方面表现出特有的梯度结构,梯度范围介于2-6mm。然而,磁体整体磁性能并未因宏观“核-壳”结构的产生而出现明显的失耦现象,相反磁行为表现出良好的一致性,这从毫米尺度证明磁体存在的强长程磁耦合作用,如图A、B所示。

以上研究证明了晶界结构调控对优化热变形磁体流变能力和增加矫顽力的有效性,为发展无重稀土高矫顽力稀土永磁材料提供了很好的思路。近期实验室对热变形磁体进一步开展PrNd-Cu低熔点合金晶界扩散的工作,试图通过改善晶界结构获得高矫顽力稀土永磁材料。研究结构表明,晶界扩散后磁体内的晶粒被晶界相充分隔离,形成孤立永磁晶粒集合体的效应,显著提高晶粒间去磁耦合,大幅度提高磁体矫顽力,研制的无重稀土矫顽力超过27kOe (Appl.Phys.Lett.107,202403。

从笔记本电脑到高效洗衣机,从电动汽车到风力发电,永磁材料无处不在,它们的发展对人类生活方式的改变和社会进步产生了巨大影响。然而,现有强磁体都是稀土永磁材料,昂贵、有限的稀土资源严重制约了这类材料的广泛应用。二十多年前,有研究者设想,将稀土硬磁性材料与软磁性材料结合起来形成交换耦合纳米复合磁体,可望获得比纯稀土磁体更强的磁性能,并能较大程度地降低稀土金属用量,来制备比现有稀土永磁材料更强但是成本更低的纳米复合永磁材料。但其主要挑战是需要在纳米尺度上对软相的尺寸(等于或小于10 纳米)、分布和含量以及硬相的晶体取向进行同时控制,其艰难程度被认为是一个“工程噩梦”。

为进一步验证和利用这种长程耦合作用,研究人员选取内禀磁性差异显著的两种磁性相,借助宏观层状结构设计来分析实现磁性相间的多尺度耦合,并在实验基础上,找到亚毫米量级上两相的最佳耦合距离,制备出性能优异的热变形Nd-Fe-B磁体,如图C、D。

以上研究结果表明在热变形磁体中调控晶界的精细结构,可以有效调控热塑变磁体的磁性能。晶界扩散后磁体内部部分区域液相含量太多,部分区域扩散不充分表明更多更为细致的工作有待开展,以达到精确调控热变形磁体精细结构的目的,有望获得剩磁保持不变,但矫顽力得到大幅度提高的热变形磁体,目前实验室热压小组正在积极开展相关工作和研究。

云顶集团官方网站,最近,张湘义科研团队提出了一种新颖的变形策略,并制备出各向异性块体SmCo/FeCo纳米复合永磁材料,解决了这个困扰世界各国研究人员二十多年的“工程噩梦”。该材料的磁能积为当前报道的含高软相分数块体纳米复合磁体的最高值,超过相应的纯单相稀土永磁材料(磁能积提高了58%)。另外,所制备出材料的磁能积可以与当前商业SmCo5和Sm2Co17磁体相媲美,且少用稀土钐20−39 wt.%。

通过多尺度条件下的磁性能和结构表征,揭示长程静磁耦合作用可突破纳米尺度限制,在微米或毫米范围内均能实现很好的耦合作用。这种磁学特点为设计和制备新型高性能热变形Nd-Fe-B材料提供了新思路。相关研究成果相继发表在Applied Physics LettersScientific ReportsJournal of Alloys and CompoundsJournal of Magnetism and Magnetic Materials上,并申请国家发明专利两项。研究工作受到了国家重点研发计划和国家自然基金等的支持。

云顶集团官方网站 4云顶集团官方网站 5云顶集团官方网站 6

团队最新研究成果以《具有高磁能积的新奇双形态各向异性块体纳米复合材料)》为题在Advanced Materials杂志上发表。Advanced Science News网站以“Stronger Magnets with Smaller Amounts of Rare Earth Metals”为标题并配图介绍了该项工作。

云顶集团官方网站 7

图1 晶界液相扩散纳米复合磁体磁性能与织构微观结构

另外,张湘义团队还发现通过改变变形温度可以对硬磁纳米晶的尺寸和形态进行调控; 他们通过控制合金熔体结构,制备出三维类壳/核软、硬异质纳米结构,其磁能积为当前各向同性永磁材料的最高值。有关研究结果分别发表在2017年和2016年的 Nano Letters 杂志上。

Dy-Cu扩散制备的宏观“核-壳”热变形Nd-Fe-B磁体磁性能及其近表面和中心区域微结构;宏观层状结构设计热变形磁体的复合多层示意图及退磁曲线;以及具有耦合作用的复合结构中低矫顽力层、低矫顽力磁体和高矫顽力磁体在反磁化过程中的畴结构演变,显示复合多层结构中由于高矫顽力层的磁耦合使低矫顽力层产生较强的“钉扎作用”获得了较强的抗退磁能力

云顶集团官方网站 8云顶集团官方网站 9云顶集团官方网站 10

据介绍,该研究成果为探索低稀土超强永磁材料提供了新的策略和方向。所建立的技术不仅适用于其它永磁材料体系,而且可用于其它功能材料如热电和多铁材料的纳米化,实现块体纳米结构的可控制备。所提出的制备策略将激励人们探索复杂异质纳米结构的可控生长和空前的性能。

图2 晶界液相扩散单相磁体磁性能,微观结构与唯象模型

本文由云顶集团网站发布于新闻中心,转载请注明出处:晶界液相扩散调控Nd云顶集团官方网站,张湘义团

关键词:

最火资讯