Nd-Fe-B永磁材料氢脆机理与阻氢涂层研究

Ρx =
-
K sin 2Πr
Η 2
(2+
co s
2Ηco s 32Η)
Ρy =
K co s 2Πr
2Ηsin
2Ηco
s
3Η 2
Σxy =
K co s 2Πr
Η 2
(1-
sin
2Ηsin 32Η)
Ρx、Ρy、Σxy为应力场张量矩阵元。 K 表示加载应力强
度因子。取裂尖处为极坐标原点, 裂纹方向为百度文库标轴
图 1 原子间的相互作用势 F ig11 Poten tia l between a tom s
根据原子间的相互作用势可求得原子间的作用
→
→
力为: F i= - i<( r )。
112 分子动力学模拟方法
(1)NV T 算法
基于牛顿定律的分子动力学模拟的方法广泛应
用于材料位错、材料断裂、裂尖运动等的研究, 有利
图 3 100 个氢原子体系 (300 个时间步长) 裂尖前方 原子构形图 (+ 为氢原子)
F ig13 A tom sturcture of 100 H system on ahead crack (300 tim e paces, + : H)
图 4 磁体充氢实验氢压力变化曲线 F ig14 Hydrogen pressure chang ing curve of magnet
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第 1 期 蒋洪川等: N d2Fe2B 永磁材料氢脆机理与阻氢涂层研究
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113 计算结果与讨论 氢分子通过材料中的裂缝扩散进入晶体内部,
与 N d 发生反应: N d + H 2 →N dH n (n = 3～ 5) , 生成 的 N dH n 再析出氢原子, 在裂尖附近便有较多的氢 原子存在。 图 2 表示了 N dH n 析氢后的体系的初始 构形。
图 2 N d- H 体系{0001}面的裂尖前方初始构 形图 (+ 为氢原子)
F ig12 O r ig ina l structure of Nd- H system {0001} on ahead crack (+ : H)
氢原子间的相互作用势由类似的方法求得[ 9 ]: <H - H ( r ) = 011758 { e- 2×215961 (r- 11495) 2e } 215961 (r- 11495) 考虑到N d- H 体系的复杂性, 我们采用了组合 规则[10] 来计算 N d - H 之间的相关M o rse 势参数, 经计算可得到 N d- H 间的相互作用势[11]: <N d- H ( r ) = 013905 { e- 2×114684 (r- 119803) 2e } 114863 (r- 119803) 其势能曲线如图 1 所示。
方向, 则 r 为极距, Η为极角。
计算中取的应力强度因子 K = 016M Pa m 。 截断距离 rc= 3r0 ( r0 为原子平衡间距, 当原子间的 距离大于 r0 时, 我们认为它们间无相互作用) , 裂纹 上下岸间原子无相互作用力。 时间步长取 h = 10fs (10- 14 s)。 参 考 温 度 为 T ref = 300K。 初 始 速 度 按 M axw ell- Bo ltzm an 分布。N d 原子处于晶格格点 上, H 原子随机分布于晶格间隙中。
3 阻氢性能测试结果与讨论
311 磁体阻氢性能测试 磁体阻氢性能测试采用专用的化学床及高压氢
容器, 将磁体放入容器中, 充入 10M Pa 的氢, 温度为 室温。 由于磁体粉化时会迅速吸氢, 造成氢压下降, 通过监测容器氢压力的变化, 判断容器内磁体是否 吸氢, 并确定磁体粉化时间。图 4 为磁体阻氢性能随 氢压力变化曲线。 其中 0# 为没有涂层的磁体, 1# ～ 4# 为有涂层的磁体。 从曲线可以看出, 没有涂层的 磁体在 10M Pa 氢环境中迅速吸氢而粉化, 而有涂层 的磁体在 10M Pa 氢环境中至少保持 178 分钟而未 粉化, 最长可达 288 分钟。表明涂层具有良好的阻氢 效果。
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稀 土 第 23 卷
力手段。 我们所选用的 N d 原子间的相互作用势是 根据材料的宏观参数, 由陈氏反演理论得到的[8], 其 具体表达式如下:
<N d- N d ( r ) = 016052 { e- 2×018306 (r- 216233) 2e } 018306 (r- 216233)
于观察到一般试验条件下无法观察到的材料原子、
分子级的变化。 本文采用正则系统分子动力学算法
(NV T 算法) [12]进行模拟。NV T 算法是指对粒子数
N 、体积 V 和温度 T 不变的系统进行模拟。 具体计
算步骤如下:
a. 指定初始位置 r1i 和初始速度 Μ1i ;
b.
计算 N +
1 步的位置:
为指定的参考温度, m 为粒子的质量, h 为时间步
长。
(2) 边界条件
分子动力学模拟中, 特别是对材料断裂、缺陷的
模拟, 需要将宏观计算力学得到的力学氛围应用于
原子尺度, 从连续介质过渡到不连续的原子。早先的
原子 连续介质模型采用位移边界条件。 例如, 将外
层原子的位置由连续介质分析给定, 并在实施模拟
2m ;
c.
计算 N +
1
步的速 度:
Μn+ i
1=
Μni +
h
(
F
n+ i
1
+
F
n i
)
2m ;
d. 计 算 系 统 动 能 2 im ( Μni ) 2 和 刻 度 因 子 Β=
[ 3N kB T ref (2m Μ2i ) ]1 2; i
e.
将所有速度用
Β调整
Μn+ i
1=
Μn+ i
1Β
其中 N 为原子总数, kB 为 Bo ltzm an 常数, T ref
计算时令之保持不变。 这种固定位移边界条件压抑
了裂尖附近的非线性位移。 我们用的是 de Celis[13] 等人建议的应力边界条件, 在这种边界条件的作用
下, 所研究的原子集体的边界处原子受到外部的原
子作用力, 这个力在整个模拟的过程中保持不变, 这
种边界条件对裂尖处的位错发射没有人为的约束。
(3) 分子动力学计算过程
1 氢在 N d 晶体中行为的分子动力学 模拟
111 原子间相互作用势 原子间的相互作用势是用分子动力学模拟材料
性质的基础和关键。 原子间相互作用势的选择是决 定模拟结果在多大程度上符合实际的关键因素, 同 时, 模拟结果也是检验原子间相互作用势的一个有
Ξ 收稿日期: 2000210219 基金项目: 本文工作得到国防预研项目资助 (项目编号: 12141212) 作者简介: 蒋洪川 (19712) , 男, 四川岳池人, 讲师, 硕士, 主要从事稀土纳米磁性材料与器件、稀土荧光粉研究。 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
(电子科技大学 信息材料工程学院, 四川 成都 610054)
摘 要: 本文利用三维M ob iu s 反演变换得到了金属 N d 原子间的相互作用势和 H 原子间的相互作用势, 利用 组合规则得到了 N d- H 原子间的相互作用势, 进而利用正则系统分子动力学算法研究了在一定加载应力强度因 子下氢在 N d 晶体中的行为, 模拟结果表明, H 在 N d 晶体裂尖富集成许多氢原子团簇或氢气团簇, 这在一定程度 上解释了 N d2Fe2B 磁体中的氢爆现象, 进而为 N d2Fe2B 阻氢涂层工艺提供理论参考, 达到在原子分子水平上设计 新型阻氢涂层的目的。对N d2Fe2B 阻氢涂层的制备进行了实验研究, 利用厚膜烧结方法在N d2Fe2B 磁体表面涂覆 银及高分子聚合物涂层, 高压充氢实验结果表明, 在 10M Pa、25℃的氢环境中, 磁体充氢 178 分钟未粉碎, 最长可达 288 分钟, 充氢后的磁体磁性能没有变化。 另外, 对 Χ- 辐照前后涂覆涂层的磁体进行了磁性能、充氢及尺寸测试, 实验结果表明, 涂覆涂层的磁体 Χ- 辐照前后磁性能、阻氢性能及磁体尺寸没有变化。
关键词: N d2Fe2B; 分子动力学; 阻氢涂层; 氢脆; Χ- 辐照 中图分类号: T G1741441; TM 273 文献标识码: A 文章编号: 100420277 (2002) 0120027205
N d2Fe2B 稀土永磁体不仅已广泛应用于电机、 计算机、环保、医疗、炼油、采矿、电子信息系统等国 民经济的各个领域, 而且在国防高技术领域中得到 大量应用[1]。N d2Fe2B 永磁体应用于受控热核聚变 和核武器冲击系统等国防高技术领域时必须考虑氢 及其同位素氘和氚对稀土永磁体性能的影响。 烧结 N d2Fe2B 合金由 N d2Fe14B 相、富 N d 相和富 B 相组 成。 其中富 N d 相主要成分为双六方密堆 (dhcp ) 结 构的 N d97F e3 [2]。 已有实验证明, 由于氢通过富 N d 晶间相向磁体扩散, 将促使磁体组成和结构发生变 化, 导致氢爆现象, 使其功能受到致命的破坏, 使磁 体所在的设备系统不能正常工作。N d2Fe2B 稀土永 磁材料阻氢机理及阻氢涂层的研究受到人们高度的 重视, 是 N d2Fe2B 永磁材料较前沿的研究课题。 美 国在 90 年代初开始了这方面的研究[3], 欧洲少数先 进国家也相继开始了这方面的研究工作, 其研究工 作主要集中在氢脆微结构方面[4～ 7], 对其防护办法 报道很少, 至今未取得实质性进展, 国内在这方面的 研究尚属空白。 本文从理论和实验两个方面对 N d2 Fe2B 永磁材料进行了研究: 一方面, 利用三维M o2
b iu s 反演变换得到了金属 N d 原子间的相互作用势 和 H 原子间的相互作用势, 利用组合规则的方法得 到了N d- H 原子间的相互作用势, 进而利用正则系 统分子动力学算法研究了在一定加载应力强度因子 下, 氢在 N d 晶体中的动力学行为, 掌握 H 对 N d 晶 体位错发生的机理, 在一定程度上就等于了解到 N d2Fe2B 的吸氢机制, 从而可解释 N d2Fe2B 磁体中 的氢爆现象, 进而为 N d2Fe2B 阻氢涂层工艺提供理 论参考, 达到在原子分子水平上设计新型阻氢涂层 的目的。 另一方面, 利用厚膜烧结技术对 N d2Fe2B 永磁体阻氢涂层的制备工艺进行了研究, 并利用专 用高压氢容器研究涂层的阻氢性能。
第 23 卷 第 2002 年 2
月1 期 C
h
稀 土 inese R a re E
a
r
th
s
V o l. 23, N o. 1 Feb ruary 2002
N d2F e2B 永磁材料氢脆机理与阻氢涂层研究Ξ
蒋洪川, 杨仕清, 张万里, 彭 斌, 张文旭, 王豪才
rni + 1 =
rni +
hΜni +
h
2
F
n i
对 dhcp 结构的 N d 晶体, 我们选择{0001}面为 裂纹面, Z 方向取 3 个周期, X 方向和 Y 方向均取 20 个周期。原子总数 1728 个。裂纹取长度L = 10a (其中 a 为晶格常数) 的三个原子层。采用 型加载, 其裂纹尖端区的应力场为[14 ]:
经过 300 个时间步长的分子动力学过程, 其结 果如图 3 所示。从模拟结果看出, 氢在裂尖富集后可 在N d 晶体内自发形成许多氢原子数目 n 不等的氢 原 子团簇 H n 和氢分子团簇 (H 2) n, 促使局部的 N d 晶格膨胀和畸变。同时, N d 原子也脱离原来的平衡 位置, 变成杂乱的排列, 失去了原 dhcp 结构的周期 性, 发生粉化现象, 这与文献[9] 报道的实验观察结果 一致。
2 阻氢涂层的制备
将磁体表面用金相砂纸打磨后, 用 5% HC l 超 声处理 3m in, 用稀 HC l 均匀粗化磁体, 使磁体表面 形成均匀且有一定深度的微坑, 然后用低温分子银 浆涂覆磁体, 120℃干燥, 放入真空度为 3×10- 3 Pa 的真空炉中, 在 450℃条件下烧结 20m in, 随炉冷却。 取出磁体, 放入一种特殊的熔融聚合物中浸涂, 用离 心机甩去多余的浸涂物, 干燥固化。