Sm-Co基多相异质纳米永磁材料的制备、结构与磁性

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Sm-Co系永磁材料具有很好的高温磁特性,在国防、尖端武器、航空航天等领域具有十分重要且广泛的应用。传统Sm-Co永磁材料的磁能积已接近理论极限,且Sm、Co元素资源稀缺、成本较高,发展空间受到了严重限制。添加软磁相的Sm-Co基纳米复合永磁材料具有潜在的高理论磁能积,且大量减少稀土使用,具有很大的发展潜力。但块体纳米复合永磁材料的发展面临两个严重的科学问题:1)如何在获得永磁纳米晶织构的同时实现软磁纳米晶的尺寸、含量、分布的优化控制;2)如何弱化饱和磁化强度的提高与矫顽力大幅度降低之间的矛盾。本论文针对上述的两个关键问题,提出了采用异质多相“团队式”组合构筑块体Sm-Co基纳米复合永磁材料的新思路,并结合本课题组自主研发的高压热压缩强变形技术,首次制备了Sm Co3+Sm Co7/α-Fe(Co)多相各向异性块体纳米晶永磁材料,该材料的最大磁能积明显高于单相Sm Co3、Sm Co7和双相Sm Co3/α-Fe(Co)、Sm Co7/α-Fe(Co)纳米晶磁体。且详细研究了制备工艺、永磁相含量以及原始铁粉形态对该类材料的微结构与磁特性的调控,详细研究工作如下:选取Sm和Co质量比为33:67的Sm-Co粉和Fe粉按照质量比74:26配合,通过机械合金化制备含有α-Fe(Co)软磁纳米晶的Sm-Co基非晶合金。然后采用应力为1 GPa、应变为78%、温度为630 oC的高压热压缩强变形,成功制备出了具有各向异性的块体Sm Co3+Sm Co7/α-Fe(Co)多相异质纳米晶永磁材料。其中软磁α-Fe(Co)相、永磁Sm Co3相和Sm Co7相的含量分别为26 wt.%,20 wt.%和54 wt.%;α-Fe(Co)相的晶粒平均尺寸~13 nm;Sm Co7相具有(002)方向的择优取向(织构),Sm Co3相具有(0012)方向的择优取向。该磁体呈明显的磁各向异性,平行压力方向性能最佳,矫顽力为5.1 k Oe,磁能积为26 MGOe。该磁能积明显高于相应的块体单相Sm Co3(4 MGOe)、Sm Co7(18.4 MGOe)纳米晶磁体及双相Sm Co3/α-Fe(Co)(13.5 MGOe)、Sm Co7/α-Fe(Co)(20.6 MGOe)纳米晶磁体。变形量和变形温度对永磁相织构形成和磁体磁性具有重要影响。变形量从0增加到80%,Sm Co3相和Sm Co7相织构明显增强,磁各向异性明显增大;磁能积从14.4 MGOe增加到26.0 MGOe。变形温度从550 oC增加到700 oC时,α-Fe(Co)晶粒从尺寸约为9 nm变成30 nm;相组成由36 wt.%Sm Co3+25 wt.%Sm Co7+29 wt.%α-Fe(Co)+10 wt.%非晶变成90 wt.%Sm Co7+10 wt.%α-Fe(Co);磁能积和矫顽力先增后减,在630 oC获得最大值,分别为26 MGOe和5.1 k Oe。固定α-Fe(Co)相含量28 wt.%,将上述制备的多相纳米晶磁体中Sm Co3相含量从0提高到66%,Sm Co7相含量从72%降低到0,磁体的磁各向异性逐渐增强,矫顽力逐渐增加,饱和磁化强度逐渐降低,磁能积先增加后降低,在Sm Co3、Sm Co7质量分数分别为27 wt.%和45 wt.%时获得最高磁能积25.5 MGOe。这是由于上述制备条件下Sm Co3相的(0012)织构比Sm Co7相的(002)织构更容易生成。原始Fe粉的形态变化对所制备多相复合纳米晶磁体的微结构和磁性具有明显影响。外形为树枝状的粗晶Fe粉(以下简称粗晶Fe粉)比外形为球状的纳米晶Fe粉(以下简称纳米晶Fe粉)更容易促进球磨过程中Sm-Co相的非晶化,在相同的变形条件下(变形温度630 oC,变形量75%)粗晶Fe参与制备的纳米晶磁体由α-Fe(Co)、1:7和1:3相三相组成,而由纳米晶Fe粉参与制备的磁体仅由α-Fe(Co)和1:7相两相组成。且前者具有更细小的晶粒尺寸,更高的软磁相含量,以及更强的晶体织构。因而具有更高的矫顽力4.6 k Oe和磁能积25.5 MGOe。
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