稀土磁性材料

關于稀土磁性材料第1頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三一、概述市場需求：Fe代Co，儲量豐富的Nd取代資源稀少的Sm。企業(yè)：中科三環(huán)、寧波韻升、安泰科技、運城恒磁、成都銀河特點：不但磁能積高，而且低能耗、低密度、機械強度高。廣泛應用領域：電動機、電聲器件、計算機、磁共振成像、磁選、磁分離、磁懸浮等。第2頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三RE的亞晶格具有很強的磁晶各向異性，3d族元素具有很高的飽和Ms和高的Tc，二者的結合有望得到綜合性很好的永磁合金。RE-Co→RE-Fe(REFe2,RE6Fe23,RE2Fe17)

RE2Fe17的Tc過低而不能實現永磁體。因為RE-Fe中Fe－Fe原子之間的距離太近Fe的局域性較強，受周圍近鄰原子數和原子間距的影響較大，最終導致合金的Tc點低。發(fā)展思路第3頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三第4頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三第三種元素，尤其是原子半徑小的元素B、C等，可成為RE-Fe化合物的固溶元素，存在于晶格中，從而改變了Fe-Fe的距離和Fe原子周圍環(huán)境及近鄰原子數，最終導致居里溫度的提高和永磁性能的改善。第5頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三室溫下RECo5、RE2Co17、RE2Fe17和RE2Fe14B相飽和磁化強度第6頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三二、RE2Fe14B系合金的磁性能NdFeB晶體結構是四方晶系。Ms=1.6TTc=312℃HA=5840kA/m（BH）m=512kJ/m第7頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三第8頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三當RE為Pr、Nd和Sm時，化合物有最高的飽和磁化強度，其中Nd2Fe14B最高，為1.6T，其(BH)m=512kJ/m3,HA=5840kA/m,Tc=312℃為了進一步提高Nd-Fe-B永磁材料的磁性能，在三元的基礎上引入第四個元素。第9頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三Nd-Fe-T-B(T=Cr,Mn,Co,Ni,Al)Nd(Pr,Ce)-Fe-BMM-Fe-BNd(Pr,Ce)-Fe-B–Si(Al)Nd0.8Dy0.2(Fe0.86-xCo0.06B0.08Mx)5.5系合金（M=Al，Ga）這些元素的硬磁性相均有RE2Fe14B。第10頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三三元NdFeB永磁材料的成分三、RE2Fe14B系合金的成分與性能Nd15Fe77B8第11頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三由于富Nd和富B都是非鐵磁性的。隨著富釹和富硼相數量的增加，合金的Ms和Br要降低。（通過實驗確定最佳的含量比）1.Nd含量對三元NdFeB磁性能的影響

第12頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三第13頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三當Nd的含量過高時，形成過多的富釹相或形成非磁性的Nd2O3,起到磁稀釋導致Br降低。若Nd的含量過低，Nd％＜12％，Br也急劇下降。這與燒結時合金的收縮量少，合金的密度過低以及有塊狀的а-Fe相析出有關。Hc隨Nd含量的增加而增加，當含量高于36％時開始下降。（與晶粒長大有關）第14頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三2.B含量對三元NdFeB磁性能的影響第15頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三B是促進NdFeB四方相形成的關鍵元素。B％<5％時主要以Nd2Fe17形式存在，Hc和Br都很低。B％＝6％～8％時得到最佳的Hc和Br。第16頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三3.NdFeB的磁能積和成分的關系第17頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三4.Fe含量對NdFeB永性能的影響第18頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三小結1.為獲得高Hc的NdFeB,除B含量適當（6.0％～6.5％）外，可適當提高Nd的含量。（可提高14％～15％，注意燒結溫度，避免晶粒長大）2.為獲得高的(BH)m，應盡可能使B和Nd的含量向Nd2Fe14B四方相的成分靠近，盡可能提高合金的Fe含量。第19頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三以RE2Fe14B化合物為基的永磁材料的磁極化強度Js是很重要的磁參量，它是該材料剩磁Br的極限值，也是決定該材料磁能積極限值或理論值(BH)m=Js2/4的磁學量。材料具有高的Js是材料獲得高的Br和高(BH)m的基礎。材料的Js是由原子磁矩μJ和分子磁矩M分子來決定的。四.RE2Fe14B化合物的磁矩和磁極化強度第20頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三根據稀土金屬間化合物的自發(fā)磁化理論，當RE2Fe14B化合物中原子磁矩μJ存在共線關系時，則它們的原子磁矩與分子磁矩有如下關系：對于輕稀土化合物對于重稀土化合物第21頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三原子磁矩中子衍射方法測定能帶理論計算M?ssbauer譜實驗技術測定其超精細場Hhf第22頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三也可用磁測量的方法，測出質量飽和磁化強度σs，再用下式計算分子磁矩式中M分子以μB為單位；A為相對分子質量(摩爾數)；NA為阿伏加德羅常數(6.023×1023)，它是氣體的分子數與摩爾數之比。第23頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三當RE2Fe14B化合物中RE為無磁短的稀土原子(如La、Ce、Lu和Y等)時：由此也可以求出化合物平均Fe原子磁矩。若已知分子磁矩M分子，

第24頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三可以求出飽和磁極化強度。式中μ0=4π×10-7H/m,是真空磁導率；d是密度。第25頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三1.RE2Fe14B化合物的原子磁矩由不同研究者用中子衍射、M?ssbauer譜和能帶理論計算得到的RE2Fe14B化合物中不同晶位上的Fe原子磁矩和RE原子磁矩列于下表。第26頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三不同格位的Fe原子磁矩是不同的，這與Fe原子所處的局域環(huán)境有關。不同R的化合物在同一晶位上的敗原子磁矩也是不同的。相同的化合物和相同的晶位用不同的方法得到的入原子磁矩也是有所不同的。

第27頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三為便于比較，列出了用不同方法測定的不同RE化合物的Fe原子平均磁矩。第28頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三它表明，Y、La、Ce和Lu是沒有原子磁矩的。Y2Fe14B化合物的磁矩全部由Fe亞點陣貢獻。用磁測定方法得到Y2Fe14B的平均原子磁矩為2．11μB。在Gd2Fe14B化合物中，Gd中的4f有7個電子，軌道磁矩已相互抵消，僅有自旋磁矩對Gd原子磁矩有貢獻，用磁測法得到Gd2Fe14B中平均鐵原子磁矩為2．27μB。這些數值比用中子衍射法得到的偏低，其原因是在R2Fe14B化合物中存在4s電子極化現象，4s電子的極化將產生負磁矩。第29頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三例如在Nd2Fe14B和Y2Fe14B化合物中存在極化現象，4s電子的極化產生的磁矩分別為

M4s＝一0.28μB和—0.21μB。

這些數值與在純鐵中的4s電子負極化效應M4s＝-0.25μB相當。

將4s電子負極化效應引起的負磁矩M4s＝-0.25μB考慮進去，那么用磁測量方法和M?ssbauer譜技術測量得到的平均鐵原子磁矩是正確的。第30頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三在RE2Fe14B化合物中，若RE原子有磁矩，則Fe原子磁矩比RE沒有磁矩的多8．6％(Ho)到12．5％(Pr)。原因是磁性RE原子與無磁性RE原子相比，某些晶位的Fe原子局域環(huán)境不同。例如Fe2(4c)原子全部是以磁性RE原子作為最近鄰的話，由于4f—3d交換能作用引起3d能帶展寬，造成正能帶的3d電子數有所提高，因而Fe2(4c)晶位上的Fe原子磁矩提高(見表4—13)。

第31頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三2.RE2Fe14B元素取代對磁矩的影響在4.2K，Y2Fe14-xTxB化合物分子磁矩與取代元素及其含量的關系如下圖。第32頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三圖中實線分別是Al和Ni按簡單的稀釋模型計算的結果，其他未實驗結果。Y2Fe14-xTCoxB的分子磁短隨x的變化很小，在x＝4—5時，出現最大值，即在Co原子分數為28％一35％處，M分子有最大值。這與在FeCo合金中的結果相似。已知Ni原子磁矩為Al、Cu和Si原子是沒有磁矩的，這些元素對分子磁矩的影響，可用簡單的稀釋模型來描述，即有第33頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三實驗結果表明，當T＝Si或Al時，其磁化強度的降低比簡單稀釋模型降低得更快些。這種現象與這些元素取代后，改變了某些晶位Fe原子的局域環(huán)境有關，減弱了某些晶位Fe原子與相鄰原子的交換作用強度，使鐵3d能帶展寬程度減弱，因而使鐵的正3d能帶的電子數減少。第34頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三當Fe原子被Si、Ru取代時，其分子磁矩或平均Fe原子磁矩降低。當Fe被Co取代時，在x＝1.5處，觀察到分子磁矩存在極大值。第35頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三第36頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三3.RE2Fe14B化合物磁極化強度與溫度的關系列出了不同研究者獲得的RE2Fe14B化合物在室溫的飽和磁極化強度和在4.2K時的分子磁矩、RE原子磁矩和化合物的Js。第37頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三第38頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三第39頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三可見Y、La、Ce和Lu四個稀土元素的原子磁矩為零，這四個元素的R2Fe14B化合物的Js和M分子全部由Fe亞點陣所貢獻。稀土原子磁矩是假定在所有的R2Fe14B化合物中，Fe亞點陣對分子磁矩的貢獻均為30．7μB，其中