各向异性纳米耦合永磁材料的制备

孙爱芝 等：各向异性纳米耦合永磁材料的制备 721

各向异性纳米耦合永磁材料的制备

孙爱芝1，许用华1，李 强1，岳 明2，肖耀福1

(1. 北京科技大学 材料学院，北京，100083；2. 北京工业大学 材料学院，北京 100022)

收稿日期：2004-05-05 通讯作者：孙爱芝

作者简介：孙爱芝（1966－），女，河北唐山人，博士，副教授，主攻此行功能材料预计制备方法的研究。

（E-mail ：sunaz@https://www.wendangku.net/doc/9d352581.html, ，Tel ：010-********）

摘 要：采用热变形和SPS —热变形两种方法，探讨制备高性能纳米双相耦合材料的可能性，发现：一、采用热变形的方法，可以实现晶粒组织的纳米尺寸，为实现材料的耦合打下基础。二、采用SPS —热变形方法，可以制备出密度更高、各向异性显著的磁体。 关键词：各向异性；SPS ；热变形；纳米耦合 中图分类号：TM 273 文献标识码：A 文章编号：1001-9731（2004）增刊

1 引 言

纳米双相耦合永磁材料由于具有极佳的理论磁能积而受到了科技工作者的广泛重视，并进行了大量研究。但经过十几年的研究和发展，人们制备的纳米双相耦合永磁材料的磁能积与理论磁能积仍存在很大的差距。差距产生的原因可能存在于两个方面：一是理论磁能积的计算方面；二是磁体制备技术方面。在磁体制备技术方面主要包括下述两个方面 [1]：第一，目前制备的纳米双相耦合材料基本上都是各向同性的，其剩磁值低且退磁曲线方形度差，导致材料的磁能积不高；第二，目前研究的纳米双相耦合永磁材料的形状多为薄带状、粉末状，这些材料在制备成粘结磁体时，将损失40%～50%的磁性能。而薄膜状的纳米双相耦合材料虽然可以制成各向异性的，并且具有高的磁性能，但是由于薄膜材料本身的形状特点，使得该类材料的应用环境具有很大的局限性。因此，制备块状（全密度）的、各向异性纳米双相耦合永磁材料将应使材料的性能产生显著的提高。

本文采用热变形和SPS （放电等离子体烧结）—热变形法两种方法，来探讨全密度各向异性纳米耦合永磁材料的制备。

2 研究方法

在真空感应炉中冶炼成份为Nd 10.3Dy 0.2Fe 77.8

Co 6Ga 0.2B 5.5的合金，再利用真空快淬设备将其制备成非晶（微晶）薄带，将上述薄带破碎成60目的细粉后，一部分直接装入铜质包套中，另一部分装入石墨模具中，利用SPS （放电等离子体烧结）制成各向同性密实体。将这两类材料使用Gleeble1500热模拟试验机，进行热变形。利用排水法测量材料的密度。利用VSM 测量样品的性能。利用S-400 SEM 分析材料的显微组织结构。利用X-ray 分析材料的晶体织构。

3 实验结果与讨论

3.1 热变形法

热变形法制备双相纳米耦合材料，是使非晶（微晶）分别在一次热变形中同时完成磁体的致密化和取向。热变形磁体的密度、晶粒取向度、晶粒尺寸及磁性能与热变形工艺密切相关。 3.1.1 热变形温度对材料性能的影响

图1给出了原始快淬粉和经不同温度热变形后材料的SEM 电镜照片。照片分析发现，在本研究的范围内，经过热变形后磁体的晶粒尺寸有所增大，约为80～100nm ，随着温度的提高，磁体的晶粒尺寸有稍许增大。

表1给出了不同热变形温度条件下的磁体密度和磁性能。可见，随着变形温度的提高，磁体的密度不断提高，而性能却不断下降，可能是温度升高，样品的晶粒长大所致。

表1 热变形温度对磁体密度和磁性能的影响 Table 1 Hot deformation temperature’s infection on

magnet’s density and magnetic performance

温 度（℃） 700 750 800 密 度（g/cm 3）

6.79

7.10

7.37 (BH )max (kJ/m 3) 61.1 46.9

26.9

722 2004年增刊（35）卷

功能材料

图1 快淬粉(a)，700℃(b)，750℃(c)和800℃(d)热压粉(形变量为60%，形变时间为30min)的SEM

照片

Fig 1 Quick-quenched powder(a), 700℃(b),750℃(c) and 800℃(d) hot-pressed powder’s SEM photos 3.1.2 形变量对材料性能的影响

图2给出了经不同形变量热压后样品的X射线衍射图，发现随形变量的增加各向异性有所加强，但其增强的效果不十分明显。

图2 原料粉及不同形变量磁体的X-ray衍射图谱Fig 2 Material powder and different deformation quantities magnet’s X-ray diffraction atlas 表2给出了不同形变量样品的密度和磁性能随形

变量的加大，样品的密度不断提高，磁性能也明显增强。

表2 形变量对磁体密度和磁性能的影响

Table 2 Deformation temperature’s infection on magnet’s density and magnetic performance

形变量(%) 60 70 80 密度(g/cm3) 7.10 7.13 7.40 (BH)max(kJ/m3) 46.9 48.3 51.4

上述研究表明，利用热变形的方法，可以制备具有各向异性的纳米复合永磁材料。热变形过程中，随变形量的增加，磁体的密度、取向度和磁性能都得到了提高。同时，材料的晶粒尺寸仍为纳米尺寸，但[006]方向的织构不是很大，取向效果还不很理想。热变形温度的提高虽能提高磁体的密度，但由于高温导致晶粒长大，降低了磁体的磁性能，因此热变形温度不宜过高。

3.2 SPS-热变形法

SPS-热变形法是首先把原料粉进行等离子放电烧结（SPS），使材料的组织致密化提高密度，然后使用热变形法使材料产生各向异性，进一步提高材料的磁性能。

本实验先在1073K(800℃)、40MPa压力下将原料粉进行等离子放电烧结（SPS），时间10min；再将烧结体在1023K(750℃)条件下进行热变形，其变形量分别为60%、70%、80%。

图 3 SPS磁体及不同形变SPS-热变形磁体晶粒SEM照片

Fig 3 SPS magnet and different deformation quantities SPS / hot deformation magnet crystal grain’s SEM

photos

图3、图4分别给出了经放电等离子体烧结(SPS)和SPS-热变形后样品的SEM照片和X-ray衍射图谱。从SEM照片可以看出，经SPS处理后，样品的平均

孙爱芝等：各向异性纳米耦合永磁材料的制备 723

晶粒尺寸在100nm左右，随着热变形的进一步加热，SPS-热变形磁体的晶粒尺寸进一步长大，已达到150nm左右；随着变形量的提高SPS-热变形磁体的晶粒尺寸几乎没有变化。而X-ray衍射分析表明，在形变量为80%时，产生明显的C轴织构。样品在SPS 过程中就已开始发生各向异性；之后进行热变形，磁体的各向异性进一步提高，当形变量达到80%以上后，磁体的各向异性急剧增强。

图4 原料粉、SPS磁体及不同形变量SPS-热变形磁体的X-ray衍射图谱

Fig 4 Material powder, SPS magnet and and different deformation quantities SPS / hot- deformation

magnet’s X-ray diffraction atlas

表3分别给出了形变量对SPS-热变形法制备的材料的密度和磁性能的影响。从表中可以看出，SPS 磁体的密度已经达到了7.10 g/cm3。随变形量的加大，SPS-热变形样品的密度也不断提高，当形变量为80%时，SPS-热变形样品的密度达到了7.52 g/cm3，已经接近理论密度。但是，从SPS磁体和不同形变量SPS-热变形磁体的磁性能可以看出，样品经等离子放电烧结（SPS）已经具有了一定的磁性能；再经过热变形后，由于晶粒的长大，磁性能会大幅度下降；但随形变量的增加，[006]方向织构的增强使磁性能有所增加。

表 3 形变量对SPS-热变形法制备的材料的密度和磁性能的影响

Table 3 Deformation quantities’ affection on SPS/ hot-deformation magnet’s density and magnet

performance

实验条件SPS

SPS+60%

形变

SPS+70%

形变

SPS+80%

形变

密度(g/cm3)7.10 7.26 7.45 7.52 (BH)max(kJ/m3)36.4 4.67 5.76 13.82 上述研究表明，利用SPS-热变形的方法可以制

备具有高密度和高各向异性的复合永磁。但是SPS

过程使得晶粒明显长大，接下来的热变形处理使得晶

粒组织进一步长大，造成了材料磁性能的恶化。

因此，在各向异性纳米双相耦合永磁材料的制备中，应严格控制晶粒尺寸。

4 结论

本文采用热变形和SPS-热变形两种方法，探讨制备高性能纳米双相耦合材料的可能性，得到结论如下：

（1）采用热变形的方法，可以实现晶粒组织的纳米尺寸，为实现材料的耦合打下基础。但磁体的密度较低，各向异性不大。

（2）采用SPS-热变形方法，可以制备出密度更高、各向异性显著的磁体。SPS及之后的热变形过程都会使得晶粒明显长大，造成了材料磁性能的恶化。但在经SPS后进行热变形过程中，随变形量的增加，特别是在变形量达到80%后，磁体取向织构及密度的迅速提高，导致了磁性的提高。

参考文献：

[1] LEE D, HILON J S, LIU S, et al. Hot pressed and Hot

Deformed Nanocomposite (Dd,Pr,Dy)2 Fe14B/α-Fe. [J].

INTERMAG, 2003, EB07: 40-42.

包小倩等：Nd-Fe-B鳞片铸锭的显微组织与厚度及合金成分的关系 727

Study on relationship between microstructure and thickness and

composition of Nd-Fe-B strip cast

BAO Xiao-qian, LI Qing-hua, ZHANG Mao-cai, ZHOU Shou-zeng

(State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science

and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract：Microstructure of Nd28.6Dy0.5Pr0.5Fe69.2Nb0.2B1.0 (A) and Nd29.0Pr0.5Fe69.1Ga0.2Nb0.2B1.0 (B) and Nd28.4Dy0.5Fe69.03Co0.86Zr0.288Nb0.28Al0.125B1.05 (C) ingots by strip casting has been systematically investigated by SEM. Microstructural characterization of the casts changes with the thickness of strips. Microstructure with fine and homogeneous matrix phase Nd2Fe14B columnar crystals with the size of 3.0~4.0μm and good dispersion of Nd-rich phases between the main phase grains and the absence of α-Fe has been achieved in the A and B ingots with the thickness of 0.20~0.30mm. However, dendriticα-Fe and coarser columnar crystals are observed in the A and B ingots with the thickness in excess of 0.40 mm. Meanwhile, there is a close relationship between microstructure and composition of strips. Dendriticα-Fe is observed in A and B strips with the thickness in excess of 0.40mm, but not in C strips with the addition of Co and Nb and Zr. X-ray diffraction patterns indicate that lamellar Nd2Fe14B phase grows in the preferred orientation of <001>.

Key words：Nd-Fe-B；strip casting；microstructure