永磁材料未来十年研究展望

永磁材料未来十年研究展望Ξ

廖恒成　马立群　袁浩扬

(东南大学　南京　210018)

摘　要　在未来的10年里,永磁材料的研究与开发将主要呈现3个特点:磁体性能综合化、合金成分多元化和制备工艺高技术化。N dFeB系合金,Sm2Fe17N x(x=2～3)系合金仍将是研究的热点。除此之外,复合型双相纳米晶永磁合金,R3(Fe,T)29Z y(R=R E;T=C r, V,T i;Z=C,H,N)3∶29类化合物将吸引越来越多的注意力。本文重点综述了双相纳米晶永磁合金和3∶29类化合物的研究进展,并对今后永磁材料的研究方向作了简略的展望。

关键词　永磁材料　N dFeB合金　Sm2Fe17N x合金　双相纳米晶　3∶29类化合物

1　前　言

永磁材料的研究与开发在20世纪取得了辉煌的成就[1,2]。特别是Saw aga在1983年发现N d2Fe14B具有优异的永磁性能后,世界各地迅速掀起了永磁材料的研究开发热潮。综观20世纪永磁材料发展历程,大体上可分为5个阶段:30年代末与40年代开发A ln i2 co永磁体;50年代以硬磁铁氧体为重点;60年代至70年代主要研究开发Sm Co系列合金永磁材料;80年代中后期,以N dFeB合金为特征,形成了一个研究开发高潮;90年代初至今又掀起了研究开发Sm2Fe17 M x(M=C,N)高潮。在这近一百年的发展过程中,永磁材料的研究与开发主要呈现3大特点:1)永磁体的品种不断增加,出现了不少系列(如A ln ico系列, B aFe12O19系列,Sm Co5,Sm Co7系列,N dFeB系列, Sm2Fe17N x系列)和众多的品牌。2)磁性能不断提高。N dFeB合金的开发使得最大磁能积提高了300倍左右。3)应用范围不断扩大。在电工,能源,通讯,机械,仪器仪表,生物,医疗,保健,农牧,轻工,选矿,物理探矿和军事工业上都有广泛的应用。随着永磁体的品种不断增加、磁性能不断提高,其应用范围不断扩大。永磁材料已经伸入到人们生活中的各个角落。

处于本世纪末,面对即将到来的21世纪,特别是21世纪前10年,永磁材料的研究与开发将会呈现出一个什么样的景象呢?本文将就此作一些粗略的描述和展望。

2　未来十年永磁材料研究与开发的主要特点

磁体性能综合化:高技术的发展要求产品或构件越来越小型化、高精密化、大容量化,对磁体的性能提出了更高的要求。永磁材料不仅要具有高的剩磁、高的最大磁能积,而且还要同时具有高的矫顽力[1]。但高剩磁和高矫顽力在常规磁性材料中目前难以兼得。稀土复合型纳米晶永磁材料[2～9]可望获得高的剩磁和高的矫顽力。除以上3大性能外,还要求永磁材料具有高的居里温度、良好的耐蚀性和热稳定性以及低的温度系数,以改善和提高适应工作环境的能力。

合金成分多元化:为了满足性能综合化的要求,合金成分必须走多元化道路。通过优化合金的化学成分,使组织中的软磁相和硬磁相相互匹配,充分发挥它们之间的交换耦合作用,提高材料的磁性能。添加H fB2,N b,D y,V,M o,A l,Ga或Sn,用钴替代铁,用其它稀土元素或混合稀土代替N d或Sm,可提高矫顽力与最大磁能积、提高居里温度、降低不可逆损失和温度系数、改善退磁曲线矩形度和热稳定性与耐热性及降低材料成本[10～13]。合理搭配合金化学成分,充分发挥多元化的综合效应,可望获得各方面磁性能都十分优良的永磁材料。

制备工艺高技术化:新材料的开发离不开先进的

第28卷 第2期1999年 4月　

稀有金属材料与工程

RA R E M ETAL M A T ER I AL S AND EN G I N EER I N G

V o l128,N o12

　A p ril1999

Ξ

制备工艺,在高技术革命时代,采用传统的制备工艺开发、生产新材料难以满足高技术对新材料的要求。N dFeB和Sm2Fe17N x的制备过程虽然包含一些高技术含量(如熔体快淬、机械合金化、热等静压等),仍存在工序繁多、容易造成粉体污染和质量难以准确控制等问题。等离子喷涂近净成形技术由于具有高热焓、高能、高凝固速度等特点,集熔化、合成、雾化、快凝固结成形等工艺于一体,能获得具有纳米结构尺寸的大块材料[14～16]。因此,结合计算机控制工艺参数,采用等离子喷涂成形技术制备N dFeB,Sm2Fe17N x 等永磁体,由于具有纳米级微结构、晶粒生长具有方向性,磁体的磁性能可望得到进一步提高。

3　基础研究

基础研究是材料科学体系的重要内容,为新材料研究与开发提供理论指导。现代永磁合金与稀土元素密不可分,因为只有与稀土元素结合,才能获得所必需的磁晶各向异性和矫顽力[1,2]。这些性能取决于稀土原子的本质和电子结构,而且已被研究得十分透彻。在某种程度上,对于一个给定的合金体系,现在可以通过计算得知其各向异性值。在过去的50年里,有关永磁合金的相图研究取得了很大的成果,系统地研究了包含稀土元素的二元、三元系相图,重点指向存在的化合物及其结构[1,2]。但对于含稀土元素的高阶系(四元系、五元系)相图还未完成系统研究,同样对于亚稳体系也未了解透彻。在许多情况下,这些合金和化合物的磁性能还未详细测量,仅仅在少数情况下测量了这些磁性材料单晶态的磁性能。因而,在21世纪初,科学研究应该指向这些至今还未足够研究的新相或化合物,其中包括相图研究及其结构、磁特性,特别是多晶材料的磁作用机制。

基础研究的另一个方向是从量子力学的角度开展与稀土系元素和过渡族元素相关的磁本征性能(永磁、磁光、磁致冷、磁致伸缩等)及相关现象的深入研究,同时开展诸如稀土—过渡族合金体系的固体物理、固体化学等的研究,从理论上取得进展,推动稀土永磁材料的发现与发展。

4　未来十年的研究热点

在21世纪初期,永磁材料的研究热点将主要集中在N dFeB合金、Sm2Fe17N x合金、双相纳米晶稀土永磁合金和R3(Fe,M)29Z y(3∶29)化合物系永磁材料等几个系列上。411NdFeB合金系

N dFeB系永磁合金已被研究得比较透彻,制备工艺相对成熟,产品已上规模。专家预测2000年N d2 FeB永磁体的产值将接近铁氧体,今后10年的平均增长率为10%～20%[13]。日本住友公司、信越化学工业公司及TD K公司都相继推出了45M GO e级的N dFeB永磁体,最高的可达5016M GO e[17]。北京钢铁研究总院于1990年也开发出最大磁能积为46 M GO e～50M GO e的N dFeB永磁体[17]。日本于1993年制备出(B H)m ax=5412M GO e N dFeB磁粉,达到其理论值的85%。在这方面的努力基本上已到极限。在提高性能的同时,对矫顽力机制也进行了深入的研究[18]。N dFeB系永磁合金仍然是目前永磁材料研究的热点之一。今后的研究方向将主要集中在通过成分优化、组织匹配和晶粒细化来提高或改善N dFeB永磁的居里温度、耐蚀性、热稳定性及降低温度系数。通过熔体快淬、机械合金化、等离子雾化等方法制备具有纳米晶结构的永磁体,同时获得高剩磁和高矫顽力。

412S m2Fe17N x(x=2～3)合金

Sm2Fe17N x是首先由Coey于1990年采用气固相反应将N原子植入到Sm2Fe17的间隙中而成的具有T h2Zn17型菱方晶结构的化合物。同N d2Fe14B相比,它具有更高的居里温度(高出近160℃)、特别高的磁晶各向异性场、磁性能参数相当,理论最大磁能积高达59M GO e,同时热稳性、抗氧化性和耐蚀性都优于N d2Fe14B[3,17,19～22]。

但由于该化合物在765℃发生分解[2,19,20],而极大地阻碍了其工业开发应用。目前只能采用粘结方法制备磁体,其矫顽力和最大磁能积都较低,限制了磁体的应用,远未充分发挥Sm2Fe17N x化合物优异磁特性。要在21世纪实现Sm2Fe17N x磁体产业化,必须解决其高温分解这个难题。因而对Sm2Fe17N x永磁材料的研究与开发将主要集中在两个方向:继续对该化合物矫顽力及各向异性产生的机制进行研究,弄清楚Sm次格子、Fe次格子和N原子的占位及自旋结构对磁晶各向异性的作用;寻求全新的制备工艺,解决高温分解这个难题。

413双相纳米晶永磁材料

传统的稀土永磁合金的矫顽力来源于磁晶各向异性,在制备时尽量避免合金中出现软磁相(如ΑFe 相等)。因为软磁相具有非常低的矫顽力,而且当磁体反向磁化时,反磁化核和反磁畴的长大都发生在软磁相处,从而影响合金获得高矫顽力。在最近研究中,

[4][5]提出了“双相复合型纳米

・

6

6

・稀有金属材料与工程28卷