粉末冶金--熔体快淬法制非晶,纳米晶
熔体快淬法制备非晶、纳米晶
熔体快淬法制备非晶、纳米晶一、实验目的1. 实践粗晶材料如何制备成非晶、纳米晶材料；2. 了解不同快淬速度对材料的组织的影响；3. 了解材料从粗晶变成非晶或纳米晶对其性能的影响。
二、实验原理熔体快淬就是在真空状态下，将熔融的金属或合金在一定的压力下，注射到高速旋转的水冷铜辊上，使其在极大的过泠度下凝固，获得具有超细结构的非平衡组织，由于这种方法具有极高的冷速，可使金属及合金的晶粒尺寸达到纳米级或得到非晶组织。
使制备的金属或合金具有与一般非平衡冷却完全不同的力学和物理性能。
金属或合金的晶粒尺寸随过冷度的增加而减小。
熔体快淬的冷速极高，可以使多种金属及合金形成纳米晶或非晶态。
而且，由于冷却铜辊的转速及液态金属及合金的喷射压力是可调的，所以冷却速度可以严格控制，从而达到控制金属或合金的晶粒度的目的。
应用熔体快淬制备纳米晶、非晶态金属及合金的工艺易于控制，而且可以实现批量生产，易于产业化。
目前，熔体快淬已经在稀土永磁材料、贮氢合金、Ni2MnGa磁性形状记忆合金、耐高温非晶钛基及钛锆基钎焊料、高强度非晶态结构材料等领域得到广泛的应用。
熔体快淬方法的典型工艺如下所示，母合金冶炼→浇注成锭→铸锭在带喷嘴的试管中再熔化→熔化喷射→高速旋转的冷却辊→固化→薄带和辊分离→收集带子→晶化退火（可省略）→破碎制粉→SPS烧结。
熔体快淬分为单辊快淬法和双辊快淬法。
本实验室用的是单辊快淬法，其原理如图1 所示。
铸锭在试管内被感应线圈加热熔化，然后通入氩气，使试管内外产生0.3～0.7个大气压的压力差，使熔化合金从漏嘴喷出，到达快速旋转的辊面，迅速凝固，形成连续薄带，再借助离心力抛离辊面。
如此完成一次喷铸过程需要数秒到数十秒的时间。
图2为快淬的薄带。
如果淬速更高，得到的薄带将更碎且细小，其晶粒为纳米级（如图3）。
实验中，水冷铜辊的转速、液态金属的压力、液态金属的温度、石英管喷口的尺寸、形状以及喷口与铜辊的距离都是快淬工艺的关键因素。
永磁钕铁硼材料调查报告
NdFeB材料调查报告钕铁硼合金是第三代永磁材料，其试样和产品的性能均是当今永磁材料中最高的，最大磁能积分别为431KJ/m3和366KJ/m3，室温下剩磁B r可高达1.47T，磁感应矫顽力H c可达992kA/m。
同时该合金的机械强度比其它永磁材料高，韧性好，密度小，但是居里温度T c较低（312℃），磁感应温度系数较大（-0.126%C-1），B r的温度系数可达-0.13%C-1，H ci的温度系数达-（0.6~0.7）%C-1，使用温度低，热稳定性和抗腐蚀性能差（合金中含有极易氧化的钕），易生锈。
一、NdFeB材料的组分、分类及制备Nd-Fe-B系永磁材料，是以Nd2Fe14B化合物为基体，含有少量富Nd和富B相的永磁材料，其大体成分为：~36wt%Nd，~63wt%Fe，~1wt%B，主要成分为稀土（RE）、铁（Fe）、硼（B）。
其中稀土Nd为了获得不同性能可用部分镝（Dy）、镨（Pr）等其他稀土金属替代，铁也可被钴（Co）、铝（Al）等其他金属部分替代，硼的含量较小，但却对形成四方晶体结构金属间化合物起着重要作用，使得化合物具有高饱和磁化强度，高的单轴各向异性和高的居里温度。
钕铁硼永磁材料钕铁硼分为烧结钕铁硼和粘结钕铁硼两种，其制备主要有熔炼-粉末冶金法、熔体快淬法、还原扩散法和粘接磁体四种方法。
粘结钕铁硼各个方向都有磁性，耐腐蚀；而烧结钕铁硼因易腐蚀，表面需镀层，一般有镀锌、镍、环保锌、环保镍、镍铜镍、环保镍铜镍等。
除还原扩散法需要Nd2O3外，其它方法均需以金属钕或Nd-Fe合金为原料。
钕铁硼的烧结体是多相体系，除Nd2Fe14B外，还有富钕存在，因此在熔炼时按Nd15Fe77B8标称组分配料，获得的合金锭经球磨至粒度约为3μm粉末，然后在垂直于外磁场（~10kOe）方向压制成型。
压制的坯料在约1380K下于保护气氛中烧结，随后迅速冷却。
然后在富钕相熔点的温度（约880K）下进行后烧结处理，再快速冷却。
纳米晶稀土永磁材料的研究
4.低的稀土含量
5.较好的化学稳定性 因此其是一种有广泛应用前景的廉价稀土永磁材料。同时随着 晶粒尺寸的减小，比表面积增大，晶间交换藕合作用显著增强。
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2.纳米晶复合永磁材料的制备工艺及性能
2.1目前生产纳米晶稀土系磁粉的几种制备工艺 目前生产纳米晶稀土系磁粉的制备工艺主要 有：1.熔体快淬法， 2.机械合金化法， 3.氢化——歧化——脱氢——再结合法(HDDR) 。 然后可以通过烧结、粘结、热压等方法制成磁体。 其中熔体快淬法已比较成熟，广泛应用于工业生产； 而机械合金化法和HDDR法还处在实验室研究阶段。
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1.2稀土永磁材料
稀土永磁材料是指稀土金属和过渡族金属形成 的合金经一定的工艺制成的永磁材料。主要是稀 土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料。 前者是稀土 元素铈、镨、 镧、钕等和 钴形成的金 属间化合物。 1.磁能积很高
优点
2.磁性温度系数低 3.磁性稳定 4.矫顽力高
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钕铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料。
优点是：其剩磁、 矫顽力和最大磁 能积比前者高， 不易碎，有较好 的机械性能，合 金密度低，有利 于磁性元件的轻 型化、薄型化、 小型和超小型化
缺点是：其磁 性温度系数较 高，限制了它 的应用。
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特 点
快淬法和HDDR法有一个共同之处，就是均为先用真空感应 熔炼炉把合金熔化。感应熔炼法的缺点在于合金成份不能连续 可调和精确控制，并且在合金的制备中，受各组元物理化学性 质的影响很大。相较于另两种方法机械合金法则避免了这个过 程，因此具有很多优势。
非晶纳米晶合金材料的工艺技术、产业化和应用
非晶纳米晶合金材料的工艺技术、产业化和应用张甫飞（宝钢集团特钢技术中心，上海 200940）摘要：介绍了国内外利用快淬技术制备非晶纳米晶合金材料的产业现状以及这一领域材料工艺技术的研究开发动态和非晶纳米晶材料的应用情况。
关键词：非晶纳米晶材料；工艺；性能；产业化；应用Application, Industrialization and Technology of Amorphous & Nanocrystalline AlloyZHANG Fu-feiBaoSteel Special Steel Technical Center, Shanghai 200940, ChinaAbstract: The current industrial situation of amorphous & nanocrystalline alloy made by rapidly quenching technology is introduced, including the recent research, development and application inthis field.Key words: amorphous & nanocrystalline; process; properties; industrialization; application自从1960年Duwez教授等人发明液态金属快淬技术制取Au-Si非晶合金和1966年发明Fe-P-C 非晶软磁合金以来，美国、日本、德国、前苏联和中国等相继开展了非晶合金的研究工作，并在20世纪70~80年代形成非晶合金研究开发的第一次热潮。
由于非晶合金制备工艺简单独特、材料性能优异等显著优点，应用范围不断扩大，四十多年来一直是冶金和材料领域的研究热点之一。
尤其在1988年日本Yashizawa教授等人在非晶化的基础上发明了纳米晶合金，从而开创了软磁材料的新纪元，大大促进了非晶材料制备设备、工艺技术的发展和材料开发应用，推动了非晶纳米晶产业的发展[1~3, 8]。
分析测试论文hxq
纳米双相复合钕铁硼永磁材料磁性能的分析技术摘要:可以通过采用熔体快淬和晶化热处理方法制备纳米晶双相复合钕铁硼永磁材料。
然后利用XRD、TEM、VSM以及多功能磁测量仪等手段研究制备工艺参数、成分变化对其微观结构和磁性能的影响规律。
本文主要讲述的是如何利用这些测试方法研究材料的磁性能。
关键词：钕铁硼永磁材料、XRD、TEM、VSMThe testing methods of two-phase nanocrystalline Nd-Fe-Bpermanent magnetsHuang xiaoqian(School of Material Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)Abstract：Two-phase nanocrystalline Nd-Fe-B permanent magnets can be prepared by melt-spun and subsequent heat-treatment. We can get the optimum process parameters and composition of the Nd-Fe-B type alloys by studying their microstructure and magnetic properties via the methods of XRD, TEM, VSM and magnetic properties analysis. This paper is mainly about how to use these testing methods to study the magnetic properties of materials.Key words: Nd-Fe-B permanent magnets, XRD, TEM, VSM1.前言：1.1 简介：磁性材料包括硬磁材料、软磁材料、半硬磁材料、磁致伸缩材料、磁性薄膜、磁性微粉等。
纳米晶软磁材料
纳米晶软磁材料这是一类新型的软磁材料。
通过熔体快淬法（轧辊法）制得的非晶态条带，如被加热到它们的晶化温度以上保持一段时间（这种热处理称为退火），非晶态条带就会开始晶化，内部组织从非晶态向晶态转变。
如果控制这种退火处理的温度和时间得当，就能控制条带内部的微观结构，使得已经晶化的晶粒尺寸控制在10～15nm的范围内，而且，这些晶粒在形态上是弥散地分布在残余的非晶相之中，这样就可以得到纳米晶材料。
例如，成分为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶态合金在550℃退火1小时后在最佳磁性能的状态下，内部包含三个相，一是体心立方结构的FeSi相，其成分为20%Si和80%Fe（原子百分比）；第二相是尚未晶化的残余非晶相，包含大约10%～15%的Nb和B，约占总体积的20%～30%；第三相是大大富集的Cu团簇。
少量铜和铌的加入是使这类纳米微晶成为优异软磁材料的关键。
它们都不溶解于体心立方结构的FeSi相。
但是，Cu原子团簇在退火早期的形成，使其成为FeSi晶粒的成核中心，促进了FeSi晶粒的成核。
Nb进入残余非晶相可以阻止FeSi晶粒的长大，同时可以在晶化过程中，抑制Fe2B 相的形成。
如果退火温度高于600℃Fe2B相就会首先形成，从而导致性能的全面恶化。
对于纳米晶合金，存在一交换耦合长度为L0=[A/K1]1/2。
这里，A是交换常数，K1是合金铁磁相的磁晶各向异性常数。
对于Fe-Cu-Nb-Si-B合金，L0=35nm。
当晶粒尺寸小于L0时，相邻晶粒中的磁矩将通过交换作用而趋于平行排列。
因此，局部各向异性应对交换耦合长度范围内所包含的晶粒数求平均，于是，材料的有效各向异性常数为〈K〉=K1(D/L0)6=K14D6/A3。
式中，D是纳米晶粒的尺寸。
对于20%Si-80%Fe的合金，K1=8×103J/m3，由上式算出，对于纳米微晶，平均各向异性常数〈K〉将比K1小大约三个数量级，只有0.5J/m3左右，因此可降低材料的矫顽力。
快速凝固技术工艺方法(77页)
超声雾化法
• 超声雾化(USGA)法是目前一种著名的快冷 粉方法。这种方法最初是瑞典人所发明的 后经美MIT的Grant教授改进而成。超声雾 器是拉瓦尔喷嘴和哈特曼（Hartman）振动 波管组合在一起，既能产生2-2.5马赫的超 音速又能产生80-199KHz的超声波气流。该 法生产低熔点合金已达工业生产规模，对 高熔点合金仍处于实验阶段。装置的冷速 104-105K/s，雾化气体为氩气和氦气等，雾 化气体压力为8.3MPa。制备Al粉最小平均 度为22mm。
的生产率就会大大提高。
紧耦合喷嘴制备金属粉末的示意图
• 英国PSI公司对紧耦合环缝式喷嘴进行结 优化：一是使气流的出口速度超过音速， 而在较小的雾化压力下获得高速气流。如 2.5MPa压力下，氩气的雾化出口速度可达 540m/s，气体消耗量小于5Kg/min；二是增 加金属的质量流率。在紧耦合雾化中，为 增加细粉的生产率，需要降低金属液流的 量流率(小于0.5L/min)，在超声紧耦合雾 技术中质量流率可以大于0.5L/min，在利 工业化生产和降低生产成本。雾化高表面 的金属如不锈钢，平均粒度可达20um左右 粉末的标准偏差最低可以降至1.5。而该技 术的另一个优点是大大提高了粉末的冷却 度，可以产生快冷或非晶结构的粉末。
• 高压气流雾化制备细粉末也是一种快速冷凝方法 。Ricks等人采用高压气流雾化（4-8MPa）金属熔 体，粉末冷速可以达到103-104K/s，平均粒度最 可达20mm左右。一般来说，在限制式喷嘴中，增 气压可以减少粉末的粒径，但由于气体速度与压 接近线性关系，当气压超过5MPa后，其速度增加 少。而且增加气体还明显增加气体消耗量，因此 限制式喷嘴中雾化气压一般不超过5.5MPa,限制了 雾化效率的提高。美国Iowa州立大学Ames实验室 Anderson等人将紧耦合喷嘴的环缝改为环孔（20 24个），通过提高气压（最高可达17MPs）和改变 导体液管出口处的形状设计，克服了紧耦合喷嘴 存在的气流激波，使气流呈现超声速层流状态并 导液管出口处形成有效的负压，这一改进可以显 提高雾化效率。
FeCuNbSiB非晶合金的纳米晶化及其软磁性能
收稿日期:2006211229; 修订日期:2009202210作者简介:张 志(19632 ),吉林省长岭县人,教授.研究方向:亚稳材料的制备与性能.Vol.30No.3Mar.2009铸造技术FOUNDR Y TECHNOLO GYFeCuN bSiB 非晶合金的纳米晶化及其软磁性能张 志,李建中,郭金柱(河南理工大学材料科学与工程学院物理冶金研究所,河南焦作454000)摘要:采用单辊快淬法制备了宽2mm ,厚20μm 的Fe 75.5Cu 1Nb 3Si 13.5B 7非晶薄带,通过等温退火得到了非晶纳米晶双相结构的软磁性材料,纳米晶平均晶粒尺寸为8～11nm 。
利用X 射线衍射(XRD )和差热分析(D TA )研究了非晶晶化后的组织与性能,发现非晶基体上析出了单一bcc 结构的α2Fe (Si )固溶体。
研究了Fe 基合金在不同退火条件下纳米晶化后的软磁性能,结果表明:在783～865K 退火1h 后,可获得较高的饱和磁感应强度B s 和较低的矫顽力H c ,并且在823K 退火1h 后,表现出最佳的软磁性能,饱和磁化强度B s 为135.266Am 2・kg -1,矫顽力H c 最低为1.8A ・m -1。
关键词:Fe 基非晶合金;纳米晶化;软磁性中图分类号:TB331 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0320333204Na n oc r ys t alliz a ti o n a n d S of t Ma g ne ti c Pr op e rtie sof Fe CuNbSiB A m o rp h o us All o ysZHANG Zhi ,L I Jian 2zhong ,GU O Jin 2zhu(Institute of Physical &Metallurgy ,H enan Polytechnic U niversity ,Jiaozuo 454000,China)Abs t rac t :The Fe 75.5Cu 1Nb 3Si 13.5B 7amorphous alloy πs strip s with 20μm thickne ss and mm width isfabricated by single 2roller melt spinning method.The two 2pha se structure of amorphous and nanocrystalline is obtained by isothermal annealing at different temperature for 1h ,the average grain size of nanocrystalline is 8～11nm.The micro structure and thermal behavior of the alloy areanalyzed by means of X 2ray diffraction (XRD )and differential thermal analysis (DTA ).The single b.c.c.structured α2Fe (Si )solid solution is precipitated in the amorphous matrix after the annealing.The temperature dependence of permeability and magnetization was inve stigated for Fe 2based alloys.Re sults show that higher saturation magnetization and lower coercivity can be obtained after an hour annealing in the temperature rang of 783～865K.The optimal soft magnetic propertie s of the alloy (saturation magnetization is 135.266Am 2・kg -1and coercive force is 1.8A ・m -1)is obtained after an hour πs annealing at 823K.Ke y w ords :Amorphous alloy ;Nanocrystallization ;Soft magnetic property Fe 基纳米晶软磁材料以其优异的磁性能和低廉的成本而倍受关注。
快淬 Mg2Ni 型合金的结构及贮氢动力学
快淬 Mg2Ni 型合金的结构及贮氢动力学张羊换;张国芳;李霞;侯忠辉;任慧平;赵栋梁【摘要】The Mg2-ILaxNi (x=0,0.2,0.4,0.6) alloys were fabricated by melt-spinning technology. The structures of the as-cast and spun alloys were characterized by XRD, SEM and HRTEM. The gaseous and electrochemical hydrogen storage kinetics of the alloys was tested. It is found that the as-spun binary Mg2Ni alloy displays a typical nanocrystalline structure, whereas the as-spun alloys substituted by La exhibit an evident amorphous structure, suggesting that the glass formation of the Mg2Ni-type alloy was facilitated by substituting Mg with La. The results show that substitution of La for Mg visibly changes the phase composition of the alloys. The major phase of the alloys changes to the (La, Mg)Ni3+LaMg3 phases by increasing La content to x=0A. Both the melt spinning and the La substitution visibly ameliorate the gaseous and electrochemical hydrogen storage kinetics of the alloys. The substitution of La for Mg causes the hydrogen absorption kinetics of the alloy first to decrease and then to increase, but it leads to a contrary action on the hydrogen desorption kinetics and the high rate discharge ability of the alloy. The action of the melt spinning on the hydrogen storage kinetics of the alloy is associated with the chemical composition of the alloy. The hydrogen absorption kinetics of the La0.4 alloy first increases and then decreases with rising spinning rate, whereas its hydrogen desorption kinetics always grows with increasing spinning rate.%用快淬技术制备Mg2-xLaxNi(x=0,0.2,0.4,0.6)贮氢合金,用XRD,SEM和HRTEM分析合金的微观组织结构；测试合金的气态及电化学贮氢动力学.结果表明:快淬二元Mg2Ni合金具有典型的纳米晶结构,而快淬La替代合金明显地具有非晶结构,La替代Mg提高Mg2Ni型合金的非晶形成能力.La替代Mg明显地改变Mg2Ni型合金的相组成,当x=0.4时,合金的主相改变为(La,Mg)Ni3+LaMg3.快淬及La替代明显影响合金的气态及电化学贮氢动力学,La替代使合金的吸氢动力学先降低后增加,但使合金的气态脱氢及电化学贮氢动力学先增加后降低.快淬对合金气态及电化学贮氢动力学的影响与合金的成分相关,对于La0.4合金,合金的气态吸氢动力学随淬速的增加先增加后减小,其放氢动力学随淬速的增加而增加.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(043)006【总页数】7页(P2101-2107)【关键词】Mg2Ni型合金;快淬;结构;贮氢动力学【作者】张羊换;张国芳;李霞;侯忠辉;任慧平;赵栋梁【作者单位】钢铁研究总院功能材料研究所,北京,100081;内蒙古科技大学省部共建国家重点实验室培育基地,内蒙古包头,014010;钢铁研究总院功能材料研究所,北京,100081;内蒙古科技大学省部共建国家重点实验室培育基地,内蒙古包头,014010;钢铁研究总院功能材料研究所,北京,100081;内蒙古科技大学省部共建国家重点实验室培育基地,内蒙古包头,014010;内蒙古科技大学省部共建国家重点实验室培育基地,内蒙古包头,014010;内蒙古科技大学省部共建国家重点实验室培育基地,内蒙古包头,014010;钢铁研究总院功能材料研究所,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】TG139.7Mg及 Mg基合金由于具有高的贮氢能力和低的制备成本而被认为是最具应用前景的贮氢材料[1]。
《非晶材料制备技术》课件
02
非晶材料的制备方法
气相沉积法
物理气相沉积法
利用物理方法（如真空蒸发、溅射等） 将材料气化，然后在基体上凝结形成非 晶态薄膜。
VS
化学气相沉积法
利用化学反应生成非晶态材料，通常在高 温下进行，可以制备连续的非晶带材。
液相急冷法
快淬法
将熔融状态的合金或化合物迅速冷却，通过 快速冷却抑制晶体形成，获得非晶态材料。
喷铸法
总结词
一种制备非晶合金薄片的方法
详细描述
喷铸法是一种制备非晶合金薄片的方法，通过将金属熔体以高速喷溅到冷却表面上，使 金属熔体在冷却过程中形成非晶态结构。这种方法可以获得具有优异性能的非晶合金薄
片材料。
甩带法
总结词
一种制备非晶合金丝材的方法
详细描述
甩带法是一种制备非晶合金丝材的方法，通 过将金属熔体甩到旋转的冷却轮上，使金属 熔体在快速冷却过程中形成非晶态结构。这 种方法可以获得具有优异性能的非晶合金丝
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粉末冶金法
总结词
通过将金属粉末进行烧结、熔炼、挤压等工艺，制备出 非晶复合材料。
详细描述
粉末冶金法是一种制备非晶复合材料的方法，通过将金 属粉末进行烧结、熔炼、挤压等工艺，制备出非晶复合 材料。该方法具有制备工艺灵活、可制备形状复杂的非 晶复合材料等优点，广泛应用于非晶复合材料的制备。
化学共沉淀法
应用价值
合金成分优化是非晶材料研究的重要方向，对于 推动非晶材料的应用具有重要意义。
表面处理技术
01 总结词
采用表面处理技术可以提高非 晶材料的表面质量和性能。
02
详细描述
非晶材料在应用过程中，其表 面质量对于性能的发挥至关重 要。表面处理技术如喷涂、电 镀、化学镀等可以有效改善非 晶材料的表面状态，提高其耐 磨、耐腐蚀等性能。
GRINM超细和纳米晶WC-Co硬质合金的研究开发.
我国尚不是硬质合金生产强国
产品技术含量及经济附加值不高；产品结构不尽合 理(亚微米和超细合金<5%)；工艺技术和装备的整体 水平与国外先进水平相比落后10～20年以上。 中、低档普通合金产品低价大量出口而超细合金、 高精度可转位涂层刀片等高档合金制品需花费大量 外汇高价进口； 难以满足制造业升级对高性能硬质合金不断扩大的 需要，硬质合金生产企业的经济效益也难以有效提 高。 在我国发展超细硬质合金等高技术含量和附加值的 材料和产品体系有重大市场需求和发展机遇。
图3. 纳米晶WC-10Co合金的FESEM二次电子显微组织
北京有色金属研究总院
定量金相测量结果
25
Mean grain size: 45 nm
Probability / %Biblioteka 2015105
0 20 40 60 80 100
Distribution of WC grain / nm
图4 纳米晶WC-10Co合金的平均晶粒尺寸及其粒度分布
北京有色金属研究总院
目前的国际实验室水平
2001年召开的第15届国际普兰西会议上， 德国 H. C. STARCK 和 WIDIA 等公司联 合报道了WC平均晶粒尺寸（截距法）为 100纳米的硬质合金的主要性能。
北京有色金属研究总院
WC-Co硬质合金发展趋势
2000 年全球（不包括中国）的亚微米、 超细晶 WC-Co 硬质合金产品的总产量达 11,500-12,500 吨 , 已占硬质合金总产量 的大约40%； 近几年来国际上超细晶硬质合金得到更 快的发展，超细晶WC-Co合金供不应求。
经历 52 年的发展、壮大，积累了丰富的应用型研究开发经验， 有雄厚的技术基础和齐全的科研、生产手段。
永磁体的发展历史和进展
永磁材料的发展历史和前景贾丽沙2013050203030引言永磁材料，就是产生磁场的功能材料。
在场中自由运动电荷、导体与半导体内电荷会受到洛仑兹力作用，使电子束聚焦，实现能量转换；导体在磁场中运动时，由于法拉第效应，会使导体感生电压；两个磁荷之间相互作用，便产生库仑力，引起磁耦合、磁分离、磁悬浮等现象。
根据磁力的不同对象和作用原理，可将永磁材料用于不同的领域。
永磁材料在20世纪获得了巨大的发展,在现代高技术和人们日常生活中发挥着重大的作用。
永磁材料的应用十分普遍，小到儿童玩具、文件夹，大到人造卫星、宇宙飞船、磁悬浮列车；从每个家庭、办公室，到工农医等各个产业部门，随处都可以见到永磁材料的应用。
本文就永磁材料的发展过程、性能特点以及永磁的发展前景进行综合介绍,以期对永磁材料的发展和研究状况有一个较完整的了解。
一、永磁材料的发展历史1、Alnico系永磁材料1917年人们就发现钴钢具有永磁性能,在1937年用“Alnico”永磁材料制备了永磁体。
典型合金为Alnico8。
其最大磁能积为64.0kJ/m3,综合磁性能较好。
由于其磁稳定性在所有永磁材料中最优,主要用于高精密仪器上。
2、第一代永磁材料——铁氧体系随着科学发展，人们在1938年确定了相关成分和晶体结构,于1947年开发成永磁体。
典型合金为Ba1-xSrxFe12O9。
铁氧体系永磁材料具有较高的矫顽力和较大的磁晶各向异性,但温度系数大。
由于价格低廉,应用相当广泛,例如中、大功率电动机,涡流器件,耦合结构,吸引磁体,校正磁体,磁性分离器等。
3、第二代永磁材料——稀土-钴系六、七十年代相继开发出SmCo5和Sm2Co17永磁材料,将稀土元素和3d过渡族元素结合起来,提高了永磁体的磁特性,被称为第二代永磁材料。
典型合金为Sm2Co17。
稀土-钴系永磁体在70年代和80年代初获得了很大的发展,随着NdFeB永磁体的出现,其应用基本上已为NdFeB永磁体所取代,主要生产国是日本和美国。
功能材料知识点整理及参考答案
一、绪论功能材料的性能本质:外界因素（如外力、温度梯度、外加电场磁场、光照等）作用于某一物体，引起原子、分子或离子及电子的微观运动，在宏观上表现为感应物理量，感应物理量与作用物理量呈一定的关系。
材料的不同性能都是由其内部结构来决定的，从材料的内部结构来料加工看，可分为四个层次：原子结构——结合键——原子排列方式——显微组织材料研究的四要素：性质、结构与成分、合成与加工、使用性能一次功能：当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用，称这种功能为一次功能。
以一次功能为使用目的的材料又被称为载体材料。
二次功能：当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量的转换作用，称这种功能为二次功能或高次功能。
（功能转换材料）材料设计可以从电子、光子出发．也可从原子、原子集团出发，可以从微观、显微到宏观。
金属功能材料的功能设计主要有两个方面：（1）寻找具有特定功能的金属材料；（2）利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。
无机非金属功能材料的主要代表是功能玻璃和功能陶瓷。
无机非金属功能材料的功能设计：（1）根据功能的要求设计配方；（2）根据功能的要求设计合适的加工工艺。
功能高分子材料功能设计：（1）通过分子设计合成新功能；（2）通过特殊加工赋予材料以功能特性；（3）通过两种或两种以上的具有不同功能或性能的材料复合获得新功能；（4）通过对材料进行各种表面处理以获得新功能。
生物医用材料：作为生物体部分功能或形态修复的材料。
能源材料：正在发展，可能支撑新能源体系的建立，满足新能源及节能技术所要求的一类材料。
（新能源材料、节能材料、贮能材料）智能材料：能够感知环境变化并通过自我判断得出结论并执行相应指令的材料。
（形状记忆合金、压电材料、电（磁）致伸缩材料、光纤和电流变体、磁流变体）功能材料的现状：1）单功能材料，如：导电材料、介电材料、铁电材料、磁性材料、磁信息材料、发热材料、热控材料、光学材料、激光材料、红外材料等。
熔体快淬法制备纳米晶材料
熔体快淬法制备纳米晶材料哎哟，我这老头子今天得说说咱们这熔体快淬法制备纳米晶材料。
说起来，这可是个高大上的玩意儿，但听我给你们讲讲，保证你们一听就明白，还带着那么点乐子。
咱们先得弄明白什么是熔体快淬。
简单点说，就是把熔融状态的金属迅速冷却，这样就能得到颗粒很小的纳米晶材料。
这就像你们做冰棍儿，放得快，冰棍儿就小，冻得快，冰棍儿就硬。
那时候我在实验室，我们那帮小伙子小姑娘们，一提到这熔体快淬，那眼睛都亮了。
那设备，一个比一个大，一个大比一个大，可别小看这些大家伙，它们可是我们制取纳米晶的宝贝。
有一次，我们实验室的一个小伙子，叫小王，他负责操作这台大设备。
小王长得人高马大，一脸的认真样，就像个认真做学问的科学家。
他告诉我，操作这台机器可讲究了，得小心翼翼，一点差错都不能出。
“刘老师，你看，这是熔融的金属，得慢慢倒进去。
”小王一边操作，一边对我说。
我仔细看着，只见他手法熟练，就像一个大厨在炒菜。
熔融的金属一倒进去，机器就开始快速冷却。
那金属在冷却过程中，就像一条小蛇，在机器里来回游动。
“这小蛇”游了一会儿，突然间，一道闪光划过，纳米晶就制成了。
小王一看，高兴地直拍手：“刘老师，成功了！”我心里也乐开了花，这是咱们团队辛勤劳动的成果啊。
咱们再说说这纳米晶材料。
这玩意儿小得不能再小了，只有几十纳米，相当于头发丝的万分之一。
但别看它小，它的性能可了不得。
比如，纳米晶的强度比普通金属要高，导电性好，还抗腐蚀。
这不，咱们国家的航空航天、军事、电子等领域，都需要这种纳米晶材料。
咱们实验室的成果，可都是为这些高科技领域服务的。
说回那小王，这小伙子不仅手艺好，还特别会与人沟通。
他告诉我，他们实验室的年轻人们，都特别喜欢这种充满挑战的工作。
“刘老师，你看，这纳米晶材料，就像我们的孩子一样。
”小王笑着说。
是啊，这纳米晶材料，凝聚了我们科研人员的心血和汗水，是我们智慧的结晶。
在这个充满挑战和机遇的时代，我们这些科研人员，就像那熔体快淬设备，努力将熔融的金属冷却，制备出高品质的纳米晶材料，为国家的发展贡献力量。
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熔体快淬法制备非晶，纳米晶
一、实验目的
1．实践粗晶材料如何制备成非晶、纳米晶材料；
2．了解不同快淬速度对材料的组织的影响；
3．了解材料从粗晶变成非晶或纳米晶对其性能的影响。
二、概述
熔体快淬就是在真空状态下，将熔融的金属或合金在一定的压力下，注射到高速旋转的水冷铜辊上，使其在极大的过泠度下凝固，获得具有超细结构的非平衡组织，由于这种方法具有极高的冷速，可使金属及合金的晶粒尺寸达到纳米级或得到非晶组织。
使制备的金属或合金具有与一般非平衡冷却完全不同的力学和物理性能。
金属或合金的晶粒尺寸随过冷度的增加而减小。
熔体快淬的冷速极高，可以使多种金属及合金形成纳米晶或非晶态。
而且，由于冷却铜辊的转速及液态金属及合金的喷射压力是可调的，所以冷却速度可以严格控制，从而达到控制金属或合金的晶粒度的目的。
应用熔体快淬制备纳米晶、非晶态金属及合金的工艺易于控制，而且可以实现批量生产，易于产业化。
目前，熔体快淬已经在稀土永磁材料、贮氢合金、Ni2MnGa磁性形状记忆合金、耐高温非晶钛基及钛锆基钎焊料、高强度非晶态结构材料等领域得到广泛的应用。
熔体快淬方法的典型工艺如下所示，母合金冶炼→浇注成锭→铸锭在带喷嘴的试管中再熔化→熔化喷射→高速旋转的冷却辊→固化→薄带和辊分离→收集带子→晶化退火（可省略）→破碎制粉→SPS烧结。
熔体快淬分为单辊快淬法和双辊快淬法。
本实验室用的是单辊快淬法，其原理如图1 所示。
铸锭在试管内被感应线圈加热熔化，然后通入氩气，使试管内外产生0.3～0.7个大气压的压力差，使熔化合金从漏嘴喷出，到达快速旋转的辊面，迅速凝固，形成连续薄带，再借助离心力抛离辊面。
如此完成一次喷铸过程需要数秒到数十秒的时间。
图2为快淬的薄带。
如果淬速更高，得到的薄带将更碎且细小，其晶粒为纳米级（如图3）。
实验中，水冷铜辊的转速、液态金属的压力、液态金属的温度、石英管喷口的尺寸、形状以及喷口与铜辊的距离都是快淬工艺的关键因素。
图1 单辊快淬法制备NdFeB薄带图2 NdFeB薄带
图3 26m/s辊速快淬NdFeB薄带的TEM
快淬工艺的制定包括：
1 熔液温度
熔液温度升高，要得到同样厚度的快冷条带，冷却辊就必须吸收更多的热量，但是当冷却辊的结构一定时它的吸热能力也就是一定的，熔液温度是受到工艺操作的限制的，实际操作中要求熔融合金具有较好的流动性，也就是要求有一定的过热度，一般要求高于熔点100℃左右，熔液温度过低会因为流动性降低而改变熔潭形状使带变薄。
总的看，首先要考虑的是熔液的温度要能够保证喷制工艺的顺利进行，不至于因为温度的稍微下降而破坏正常的喷制过程。
2 冷却速度及冷却辊
作为冷却体的旋转辊是获得高冷却速度的主要条件。
其冷却速度表如表1：
要求制造冷却辊的材料具有高的热传导系数、有尽可能高的硬度、与合金熔液有好的润湿性、容易加工和保持辊面较高的表面光洁度等性能。
常用材料有纯铜、铜合金和钢。
随着喷制次数的增加或一次喷制量的加大，冷却辊的温度不断升高，为了保证工艺参数的稳定，必须控制冷却辊的温度，这就需要采取对冷却辊强迫冷却的措施，实际应用中大多采用水内冷的冷却方式。
冷却辊表面在喷制带的过程中会不断被站污、损伤，造成成品条带上无规则的或周期性的孔洞等缺陷，影响带的质量，甚至成为废品。
因此经常清理、修整使冷却辊表面光滑是非常必要的。
3 坩埚和喷嘴
试验研究和小量制备样品时采用坩埚和喷嘴—体的结构，常用熔融石英管制成。
石英透明因而便于直接观察合金熔化情况，它有良好的耐急冷急热性能，与大多数合金无作用或无明显作用，尺寸小的加工制作较为灵活方便。
4 试管的管嘴形状
要得到一定几何尺寸的快冷条带，一个基本条件是喷嘴有合理的形状、精确的尺寸和至少要保证在一次喷制过程中不变形。
合金细丝和小于3mm的窄带应采用圆孔形喷嘴喷制，3mm 以上的带一般使用矩形狭缝喷嘴。
本实验采用圆孔形。
喷嘴应该表面平整光滑，尺寸精确。
喷嘴直径不能过小，否则会因为不易控制熔液流的连续稳定，造成熔潭的不稳定，从而使得到的快冷条带在几何形状和尺寸出现缺陷。
如果直径过大，则往往由于熔液的重力而发生“自流”现象，导致喷制失败。
本次实验对NdFeB进行快淬工艺制定，并进行实际操作，系统地观察不同淬速下其晶粒的大小（纳米晶或非晶），并测试其磁性能。
三、实验步骤
（一）两次实验，一次采用低淬速（<20m/s）进行快淬实验，以获得纳米晶薄带；
另一次采用高淬速（>30m/s）进行快淬，来获得非晶薄带。
我们两次实验
的转速分别为10 m/s和30 m/s。
（二）观察有关薄带的显微组织，详见表2。
四、实验设备及器件
（一）熔体快淬炉
（二）石英管。
（三） 30g左右的铸锭合金样品。
（四）研钵及试样带。
五、实验报告要求
1、实验数据收集齐全，并对数据进行分析（从加热温度、冷却速度）。
石英管喷口直径2~3mm；喷射时距辊面调整为2mm左右；抽真空时，腔体内部压强数量级为10-3Pa；然后通入氩气，使腔体内部有与石英管里保证有0.07个大气压差。
辊面线速度6m/s时，设定电机参数为61；辊面线速度30m/s时，设定电机参数为184。
其线速度越大，冷却速度越大。
NdFeB加热温度高于其熔点100℃左右。
2、对纳米晶、非晶的形成机理进行描述。
在真空状态下，将熔融的金属或合金在一定的压力下，注射到高速旋转的水冷铜辊上，使其在极大的过泠度下凝固，获得具有超细结构的非平衡组织，由于这种方法具有极高的冷速，可使金属及合金的晶粒尺寸达到纳米级或得到非晶组织。
金属或合金的晶粒尺寸随过冷度的增加而减小。
熔体快淬的冷速极高，可以使多种金属及合金形成纳米晶或非晶态。
而且，由于冷却铜辊的转速及液态金属及合金的喷射压力是可调的，所以冷却速度可以严格控制，从而达到控制金属或合金的晶粒度的目的。
当冷速很快是可以得到纳米晶；冷速更快时可能获得非晶。
非晶材料在重新加热时出现晶粒长。
六实验体会
通过此次试验，我对熔体快淬法制备非晶，纳米晶有了初步了解，知道了制备的工艺流程和注意事项，对实验制备仪器也有了初步认识。
通过实验观察知道了不同快淬速度对材料组织的影响，了解了材料从粗晶变成非晶或者纳米晶过程中对材料性能的影响。