《稀土磁性材料》PPT课件.ppt

v一、一、概述概述v二、二、RE2Fe14B系合金的磁性能系合金的磁性能v三、三、RE2Fe14B系合金的成分与性能系合金的成分与性能v四、四、RE2Fe14B化合物的磁矩和磁极化化合物的磁矩和磁极化强度强度2.6 稀土钕铁硼永磁材料稀土钕铁硼永磁材料一、概述一、概述v市场需求：市场需求：Fe代代Co，储量丰富的，储量丰富的Nd取代取代资源稀少的资源稀少的Sm。v企业：中科三环、宁波韵升、安泰科技、企业：中科三环、宁波韵升、安泰科技、运城恒磁、成都银河运城恒磁、成都银河v特点：特点：不但磁能积高，而且低能耗、低密不但磁能积高，而且低能耗、低密度、机械强度高。度、机械强度高。v广泛应用领域：电动机、电声器件、计算广泛应用领域：电动机、电声器件、计算机、磁共振成像、磁选、磁分离、磁悬浮机、磁共振成像、磁选、磁分离、磁悬浮等。等。vRE的亚晶格具有很强的磁晶各向异性，的亚晶格具有很强的磁晶各向异性，3d族族元素具有很高的饱和元素具有很高的饱和Ms和高的和高的Tc，二者的结，二者的结合有望得到综合性很好的永磁合金。合有望得到综合性很好的永磁合金。vRE-CoRE-Fe(REFe2,RE6Fe23,RE2Fe17)v RE2Fe17的的Tc过低而不能实现永磁体。过低而不能实现永磁体。因为因为RE-Fe中中FeFe原子之间的距离太近原子之间的距离太近Fe的局域性较强，受周围近邻原子数和原子间的局域性较强，受周围近邻原子数和原子间距的影响较大，最终导致合金的距的影响较大，最终导致合金的Tc点低。点低。发展思路发展思路v第三种元素，尤其是原子半径小的元素第三种元素，尤其是原子半径小的元素B、C等，可成为等，可成为RE-Fe化合物的固溶元化合物的固溶元素，存在于晶格中，从而改变了素，存在于晶格中，从而改变了Fe-Fe的的距离和距离和Fe原子周围环境及近邻原子数，原子周围环境及近邻原子数，最终导致居里温度的提高和永磁性能的最终导致居里温度的提高和永磁性能的改善。改善。室温下室温下 RECo5、RE2Co17、RE2Fe17和和RE2Fe14B相饱和磁化强度相饱和磁化强度二、二、RE2Fe14B系合金的磁性能系合金的磁性能vNdFeB 晶体结构是四方晶系。晶体结构是四方晶系。vTc=312vHA=5840kA/mv（BH）m=512kJ/mv当当RE为为Pr、Nd和和Sm时，化合物有最高时，化合物有最高的饱和磁化强度，其中的饱和磁化强度，其中Nd2Fe14B最高，最高，为，其为，其(BH)m=512kJ/m3,HA=5840kA/m,Tc=312v为了进一步提高为了进一步提高Nd-Fe-B 永磁材料的磁永磁材料的磁性能，在三元的基础上引入第四个元素。性能，在三元的基础上引入第四个元素。vNd-Fe-T-B(T=Cr,Mn,Co,Ni,Al)vNd(Pr,Ce)-Fe-B vMM-Fe-BvNd(Pr,Ce)-Fe-B Si(Al)vNdDy(FeCoBMx)系合金（系合金（M=Al，Ga）v这些元素的硬磁性相均有这些元素的硬磁性相均有RE2Fe14B。v三元三元NdFeB永磁材料的成分永磁材料的成分三、三、RE2Fe14B系合金的成分与性系合金的成分与性能能Nd15Fe77B8v由于富由于富Nd和富和富B都是非铁磁性的。随着富钕都是非铁磁性的。随着富钕和富硼相数量的增加，合金的和富硼相数量的增加，合金的Ms和和Br要降要降低。（通过实验确定最佳的含量比）低。（通过实验确定最佳的含量比）v1.Nd含量对三元含量对三元NdFeB磁性能的影响磁性能的影响 v当当Nd的含量过高时，形成过多的富钕相或的含量过高时，形成过多的富钕相或形成非磁性的形成非磁性的Nd2O3,起到磁稀释导致起到磁稀释导致Br降降低。若低。若Nd的含量过低，的含量过低，Nd12，Br也也急剧下降。急剧下降。v这与烧结时合金的收缩量少，合金的密度这与烧结时合金的收缩量少，合金的密度过低以及有块状的过低以及有块状的-Fe相析出有关。相析出有关。vHc随随Nd含量的增加而增加，当含量高于含量的增加而增加，当含量高于36时开始下降。（与晶粒长大有关）时开始下降。（与晶粒长大有关）2.B含量对三元含量对三元NdFeB磁性能的影响磁性能的影响vB是促进是促进NdFeB四方相形成的关键元素。四方相形成的关键元素。vB5时主要以主要以Nd2Fe17形式存在，形式存在，Hc和和Br都很低。都很低。vB68时得到最佳的得到最佳的Hc和和Br。3.NdFeB的磁能积和成分的关系的磁能积和成分的关系4.Fe含量对含量对NdFeB永性能的影响永性能的影响小小 结结v1.为获得高为获得高Hc的的NdFeB,除除B含量适含量适当（）外，可适当提高当（）外，可适当提高Nd的的含量。（可提高含量。（可提高1415，注意，注意烧结温度，避免晶粒长大）烧结温度，避免晶粒长大）v2.为获得高的为获得高的(BH)m，应尽可能使，应尽可能使B和和Nd的含量向的含量向Nd2Fe14B四方相的成四方相的成分靠近，尽可能提高合金的分靠近，尽可能提高合金的Fe含量。含量。v以RE2Fe14B化合物为基的永磁材料的磁极化化合物为基的永磁材料的磁极化强度强度Js是很重要的磁参量，它是该材料剩磁是很重要的磁参量，它是该材料剩磁Br的极限值，也是决定该材料磁能积极限值的极限值，也是决定该材料磁能积极限值或理论值或理论值(BH)m=Js2/4的磁学量。的磁学量。v材料具有高的材料具有高的Js是材料获得高的是材料获得高的Br和高和高(BH)m的基础。的基础。v材料的材料的Js是由原子磁矩是由原子磁矩J和分子磁矩和分子磁矩M分子分子来来决定的。决定的。四四.RE2Fe14B化合物的磁矩和磁极化化合物的磁矩和磁极化强度强度v根据稀土金属间化合物的自发磁化理论，当根据稀土金属间化合物的自发磁化理论，当RE2Fe14B化合化合物中原子磁矩物中原子磁矩J存在共线关系时，则它们的原子磁矩与分子存在共线关系时，则它们的原子磁矩与分子磁矩有如下关系：磁矩有如下关系：v对于轻稀土化合物对于轻稀土化合物v对于重稀土化合物对于重稀土化合物原子磁矩原子磁矩中子衍射方法测定中子衍射方法测定能带理论计算能带理论计算Mssbauer谱实验技术测定其超精细场谱实验技术测定其超精细场Hhfv也可用磁测量的方法，测出质量饱和磁化强也可用磁测量的方法，测出质量饱和磁化强度度s，再用下式计算分子磁矩，再用下式计算分子磁矩v式中式中M分子以分子以B为单位；位；A为相对分子质量为相对分子质量(摩尔数摩尔数)；NA为阿伏加德罗常数为阿伏加德罗常数(6.0231023)，它是气体的分子数与摩尔数之比。，它是气体的分子数与摩尔数之比。v当当RE2Fe14B化合物中化合物中RE为无磁短的稀土原子为无磁短的稀土原子(如如La、Ce、Lu和和Y等等)时：时：v由此也可以求出化合物平均由此也可以求出化合物平均Fe原子磁矩。若已知分原子磁矩。若已知分子磁矩子磁矩M分子分子，v可以求出饱和磁极化强度。可以求出饱和磁极化强度。v式中式中0=410-7H/m,是真空磁导率；是真空磁导率；d是密是密度。度。1.RE2Fe14B化合物的原子磁矩化合物的原子磁矩v由不同研究者用中子衍射、由不同研究者用中子衍射、Mssbauer谱和谱和能带理论计算得到的能带理论计算得到的RE2Fe14B化合物中不同化合物中不同晶位上的晶位上的Fe原子磁矩和原子磁矩和RE原子磁矩列于下表。原子磁矩列于下表。不同格位的不同格位的Fe原子磁矩是不原子磁矩是不同的，这与同的，这与Fe原子所处的局原子所处的局域环境有关。域环境有关。不同不同R的化合物的化合物在同一晶位上的在同一晶位上的败原子磁矩也败原子磁矩也是不同的。是不同的。相同的化合物相同的化合物和相同的晶位和相同的晶位用不同的方法用不同的方法得到的入原子得到的入原子磁矩也是有磁矩也是有所不同的。所不同的。v为便于比较，列出了用不同方法测定的不同为便于比较，列出了用不同方法测定的不同RE化合物的化合物的Fe原子平均磁矩原子平均磁矩 。v它表明，它表明，Y、La、Ce和和Lu是没有原子磁矩的。是没有原子磁矩的。Y2Fe14B化合物的磁矩全部由化合物的磁矩全部由Fe亚点阵贡献。亚点阵贡献。用磁测定方法得到用磁测定方法得到Y2Fe14B的平均原子磁矩为的平均原子磁矩为211B。v在在Gd2Fe14B化合物中，化合物中，Gd中的中的4f有有7个电子，个电子，轨道磁矩已相互抵消，仅有自旋磁矩对轨道磁矩已相互抵消，仅有自旋磁矩对Gd原原子磁矩有贡献，用磁测法得到子磁矩有贡献，用磁测法得到Gd2Fe14B中平中平均铁原子磁矩为均铁原子磁矩为227B。这些数值比用中子衍射法得到的偏低，其原因这些数值比用中子衍射法得到的偏低，其原因是在是在R2Fe14B化合物中存在化合物中存在4s电子极化现象，电子极化现象，4s电子的极化将产生负磁矩。电子的极化将产生负磁矩。v例如在例如在Nd2Fe14 B和和Y2Fe14B化合物中存在极化合物中存在极化现象，化现象，4s电子的极化产生的磁矩分别为电子的极化产生的磁矩分别为 M4s一一B和和B。这些数值与在纯铁中的这些数值与在纯铁中的4s电子负极化效应电子负极化效应M4sB相当。相当。将将4s电子负极化效应引起的负磁矩电子负极化效应引起的负磁矩M4sB考考虑进去，那么用磁测量方法和虑进去，那么用磁测量方法和Mssbauer谱谱技术测量得到的平均铁原子磁矩是正确的。技术测量得到的平均铁原子磁矩是正确的。v在在RE2Fe14B化合物中，若化合物中，若RE原子有磁矩，原子有磁矩，则则Fe原子磁矩比原子磁矩比RE没有磁矩的多没有磁矩的多86(Ho)到到125(Pr)。v原因是磁性原因是磁性RE原子与无磁性原子与无磁性RE原子相比，原子相比，某些晶位的某些晶位的Fe原子局域环境不同。原子局域环境不同。v例如例如Fe2(4c)原子全部是以磁性原子全部是以磁性RE原子作为原子作为最近邻的话，由于最近邻的话，由于4f3d交换能作用引起交换能作用引起3d能带展宽，造成正能带的能带展宽，造成正能带的3d电子数有所提高，电子数有所提高，因而因而Fe2(4c)晶位上的晶位上的Fe原子磁矩提高原子磁矩提高(见表见表413)。2Fe14B元素取代对磁矩的影响元素取代对磁矩的影响v在，在，Y2Fe14-xTxB化化合物分子磁矩与取合物分子磁矩与取代元素及其含量的代元素及其含量的关系如下图。关系如下图。v图中实线分别是图中实线分别是Al和和Ni按简单的稀释模型计按简单的稀释模型计算的结果，其他未实验结果。算的结果，其他未实验结果。vY2Fe14-xTCoxB的分子磁短随的分子磁短随x的变化很小，的变化很小，在在x45时，出现最大值，即在时，出现最大值，即在Co原子分原子分数为数为28一一35处，处，M分子分子有最大值。这与在有最大值。这与在FeCo合金中的结果相似。合金中的结果相似。v已知已知Ni原子磁矩为原子磁矩为vAl、Cu和和Si原子是没有磁矩的，这些元素对原子是没有磁矩的，这些元素对分子磁矩的影响，可用简单的稀释模型来描分子磁矩的影响，可用简单的稀释模型来描述，即有述，即有v实验结果表明，当实验结果表明，当TSi或或Al时，其磁化强度时，其磁化强度的降低比简单稀释模型降低得更快些。这种的降低比简单稀释模型降低得更快些。这种现象与这些元素取代后，改变了某些晶位现象与这些元素取代后，改变了某些晶位Fe原子的局域环境有关，减弱了某些晶位原子的局域环境有关，减弱了某些晶位Fe原原子与相邻原子的交换作用强度，使铁子与相邻原子的交换作用强度，使铁3d能带能带展宽程度减弱，因而使铁的正展宽程度减弱，因而使铁的正3d能带的电子能带的电子数减少。数减少。v当当Fe原子被原子被Si、Ru取代时，其分子磁矩取代时，其分子磁矩或平均或平均Fe原子磁矩降原子磁矩降低。当低。当Fe被被Co取代取代时，在时，在x处，观察处，观察到分子磁矩存在极大到分子磁矩存在极大值。值。2Fe14B化合物磁极化强度与温度的关系化合物磁极化强度与温度的关系v列出了不同研究者获得的列出了不同研究者获得的RE2Fe14B化合物在化合物在室温的饱和磁极化强度和在时的分子磁矩、室温的饱和磁极化强度和在时的分子磁矩、RE原子磁矩和化合物的原子磁矩和化合物的Js。v可见可见Y、La、Ce和和Lu四个稀土元素的原子磁四个稀土元素的原子磁矩为零，这四个元素的矩为零，这四个元素的R2Fe14B化合物的化合物的Js和和M分子分子全部由全部由Fe亚点阵所贡献。亚点阵所贡献。v稀土原子磁矩是假定在所有的稀土原子磁矩是假定在所有的R2Fe14B化合物化合物中，中，Fe亚点阵对分子磁矩的贡献均为亚点阵对分子磁矩的贡献均为307B，其中，其中 的的“十十”号代表号代表 与与 产产是铁磁性耦合，是铁磁性耦合，“”号代表号代表 与与 是是亚铁磁性耦合。亚铁磁性耦合。轻轻稀稀土土重重稀稀土土v随着温度的降低，随着温度的降低，M分子分子一直升高。一直升高。在某一温度范围内，在某一温度范围内，随温度的升高，随温度的升高，的提高比的提高比 的提高的提高更快，因此在该温度更快，因此在该温度范围内，就出现了范围内，就出现了M分子随温度升高而升分子随温度升高而升高的现象。高的现象。