晶界工程提升烧结Nd-Fe-B永磁材料性能研究

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钕铁硼作为第三代稀土永磁材料,由于其优异的磁性能被广泛的应用于航空航天、医疗设备、交通工具、家用设备等领域。随着我国对于绿色可持续产业的大力扶持,新能源汽车、风力发电等一批绿色产业迅速发展,从而导致对于高性能烧结Nd-Fe-B磁体的需求快速上升。然而,目前烧结Nd-Fe-B磁体在极端工作环境下,还存在着矫顽力较低、抗腐蚀性能较差这两个严峻的问题,这大大限制了其应用范围。想要解决Nd-Fe-B磁体矫顽力较低的问题,最直接的方法就是在磁体中熔炼添加Dy、Tb等重稀土元素,然而磁体中大量存在的Fe原子与Dy、Tb等重稀土原子之间发生的反铁磁耦合,会大量降低磁体本身的剩余磁化强度Br与最大磁能积(BH)max。另一方面,虽然我国是世界稀土大国,但Dy、Tb等重稀土元素在自然界的存储量非常有限,过度开采使用,会导致稀土资源利用的严重不平衡,此外由于资源稀缺导致重稀土元素价格非常昂贵,过度使用会大大提高磁体的生产成本。其次,由于富Nd晶界相与2:14:1主相之间的电极电位相差较大,易发生电化学腐蚀,最终导致磁体失效。因此,如何在不使用或者尽量少使用重稀土的情况下,提高磁体的矫顽力与抗腐蚀性,是现今亟待解决的重要问题。针对此问题,本文主要从提高烧结Nd-Fe-B磁体的矫顽力与抗腐蚀性能两方面入手,利用晶界工程技术开展了烧结Nd-Fe-B磁体的高性能化研究:一是基于高性能多主相磁体的制备技术,通过设计含Dy的晶界添加物Dy-Fe-Ga,在主相晶粒边缘形成了高磁晶各向异性场的壳层结构,晶界重构后的磁体的矫顽力从20.4 k Oe提高到了24.5 k Oe,提高了20.1%,同时磁体的剩磁从13.2 k Gs仅下降到12.8 k Gs,抗蚀性能都得到了较好的保持,最终实现了重稀土的高效利用;二是设计了的不含重稀土元素的低熔点共晶合金Nd-Fe-Ga,对高性能烧结Nd-Fe-B商业磁体进行晶界重构,利用存在于晶界中Nd6Fe13Ga相,调节了晶界相的铁磁性,从而提高了晶界相的去磁耦合能力,其中在Nd-Fe-Ga添加量为3wt.%时对于磁体磁性能的提升效果最优,矫顽力提高了2.91 k Oe,同时磁体的剩磁仅仅下降了0.06 k Gs。在该添加量下,Nd6Fe13Ga相呈现出沿着主相外延分布的形貌,实现了无重稀土添加磁体矫顽力的提高和抗腐蚀性的优化;三是设计了平均粒度为1μm的Cu粉末,以Nd-Fe-B回收磁体为基体进行晶界改性,Cu粉末的添加,让晶界相中的氧含量较高的Nd-O相,转化为氧含量较低Nd-Cu-O相,相较于初始磁体,改性后磁体168小时后的腐蚀失重量仅仅为初始磁体的0.03%,大大减缓了磁体的腐蚀速度,同时晶界改性后磁体的矫顽力仅只有略微下降,为20.28 k Oe。晶界改性后对磁体的磁性能任然可以达到工业电机对于Nd-Fe-B磁体矫顽力的要求(20 k Oe),在保持磁性能基本不变的前提下,显著提高了磁体的抗腐蚀性。
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