Nd等稀土元素掺杂对铁基永磁合金的磁性影响Word下载.docx

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　　1引言

　　稀土永磁材料是当前具有很高磁能积和多种优良磁性的永磁材料,尤其是第三代稀土永磁材料钕铁硼磁体的出现,迅速改变了永磁材料的研究生产和应用的格局。

Nd-Fe-B永磁体的性能较第一、二代永磁体有很大提高,它的最大磁能积（BH）max为400～490kJ/m3,理论值可达640kJ/m3,是当今磁性能最高的永磁材料,被誉为“永磁之王”[1]。

高性能的永磁材料要求具有以下六个基本性能:

最大磁能积、饱和磁化强度高、矫顽力大、剩磁强、各向异性场和居里温度高,而钕铁硼（Nd-Fe-B）永磁体除了具有最大磁能积（BH）外,还具有内秉矫顽力大、剩余磁感应强度高等特点,这些因素都赋予了它优异的磁性能。

　　稀土元素由于其独特的4f电子结构、大的原子磁矩,以及很强的自旋轨道耦合磁矩等特性,决定了其晶体结构的对称性较低,磁性电子（4f电子）处于较内壳层,自旋一轨道相互作用和晶（体电）场作用都较强,因而具有原子磁矩高、磁晶各向异性高、磁致伸缩系数高、磁光效应高和磁有序转变温度（居里点和奈尔点）低（称为“四高一低”）以及磁有序结构复杂等特点,特别是当稀土元素与其它元素形成配合物时,更具有丰富的磁学、电学及光学特性[2-4]。

因此,要使NdFeB永磁体获得更广泛的应用,就要在其中掺杂某些稀土金属元素以提高钕铁硼（Nd-Fe-B）永磁体的磁性能,使其达到最优性能。

本文将研究掺杂稀土元素对钕铁硼（Nd-Fe-B）永磁体不同磁性能的影响,包括对其居里点和矫顽力的影响。

　　2钕铁硼（Nd-Fe-B）永磁合金的晶体结构[5]

　　以Nd2Fe14B为代表的稀土铁硼永磁合金属四方晶系,空间群为P42/mnm。

一个晶胞由4个Nd2Fe14B分子组成,含有68个原子,分布在9个晶位上,Nd原子占两个晶位（4f、4g）,Fe原子占六个晶位（16K1、16K2、8J1、8J2、4e、4c）,B原子占一个晶位（4g）。

通过中子衍射确定了Nd2Fe14B在室温下的磁结构,其磁矩排列是铁磁性的,Nd与Fe的磁矩均与晶胞c轴平行,因此Nd2Fe14B具有较高的饱和磁化强度和磁晶各向异性场。

　　3钕铁硼（Nd-Fe-B）永磁合金的磁性能

　　以稀土元素组成的RE2Fe14B化合物,发现除La外,其他稀土元素均能形成稳定的RE2Fe14B化合物,表1列出了RE2Fe14B化合物的磁性能[6]。

　　从表1可以看出,RE2Fe14B虽然具有一系列优异的磁性能和其他优势,如高饱和磁化强度等,但它的居里温度、工作温度和矫顽力均不够高。

　　3.1掺杂对居里温度的影响

　　稀土元素能与铁形成RE2Fe14B系化合物,但由于其晶格中Fe-Fe原子之间的距离比较近,而Fe磁矩的局域性较强,受其邻近原子的影响比较大,周围邻近原子数、原子间距等因素都会对Fe的磁矩产生较大影响,最终导致居里温度低,从而导致Nd-Fe-B材料的温度性能差,耐热性不高,使Nd-Fe-B材料的用途受到很大的限制。

因此,要提高居里温度就必须增加Fe-Fe原子间距[6],主要是在磁体中掺杂加入其他类型的铁磁或非铁磁性原子。

在掺杂铁磁物质中,其中一种是加入稀土元素,因为除La外,其他稀土元素均能形成稳定的RE2Fe14B化合物,而且稀土元素拥有很多优异的磁学性能,如掺杂重稀土元素（Tb、Dy）可提高永磁材料的矫顽力,以改善温度特性;

或掺杂Ga也将带来较高的矫顽力以及较低的不可逆损失;

掺杂Nb也会对Nd-Fe-B的温度特性产生影响[7]。

另一种方法是掺杂不具有磁学性质的原子,如B、C等半径较小的元素,它们可成为固溶元素,存在于晶格中,从而改变Fe-Fe原子间距,也可达到提高居里温度的目的。

　　3.2掺杂对矫顽力的影响

　　虽然Nd2Fe14B四方晶系化合物的理论磁能积可达640kJ/m3,但Nd-Fe-B系列永磁体的矫顽力还不够理想。

因此,为进一步提高Nd-Fe-B永磁材料的矫顽力,就必须通过掺杂,而且除了掺杂稀土元素外,还要尽可能掺杂一些其它金属元素,如掺杂少量的Co、Al、Nb均能对提高合金性能起到重要作用。

如在Nd2Fe14B磁体中加入Al,使Al部分进入基体代替Fe原子,可提高Fe原子点阵的磁晶各向异性,会使畴壁变窄,有利于实现晶粒间晶界的畴壁钉扎;

未进入主晶相的部分Al有可能形成有利于晶粒间界钉扎的缺陷或另一个相,因而总效应是使磁感矫顽力提高。

加入Nb会使剩余磁感应强度稍有降低,但提高了磁感矫顽力[8-9],因为随着Nb的加入,可使其晶粒细化,这是Nb提高矫顽力的原因之一;

与此同时,剩余磁感应强度的降低,表明Nb也可能出现于晶粒内部。

Co能提高居里温度,但却使磁感矫顽力降低,据文献报导[10],在Nd2Fe14B永磁体中综合掺杂Al、Nb、Co,掺杂后磁体材料的矫顽力大大提高,由432kA?

m-1升高至700kA?

m-1。

　　图1为稀土元素Tb的掺杂对Nd2Fe14B永磁体矫顽力的影响[11]。

从图1可以看出,永磁体的矫顽力随着稀土元素Tb含量的增加而增大,Tb含量在0at%～043at%范围内时,矫顽力增长较快;

Tb含量大于0.43at%时,矫顽力增长较慢。

研究证明,稀土永磁体的矫顽力与磁晶各向异性场成正比关系,一般情况下,如果各向异性场大,那么矫顽力自然也大。

这是因为高的各向异性场能够提高四方相磁晶粒的反磁化畴形核场,而高的原磁化畴形核场又是获得高矫顽力的关键。

　　掺入Tb后,永磁体具有更高的各向异性场,其值高达17512kA/m,并且通过SEM分析证实,含Tb试样的微观结构仍然保持了基本的钕铁硼磁性材料的结构特征[12-13],因此,这种稀土元素掺杂是可行的。

稀土元素与铁及硼形成的金属化合物中,铁的亚点阵对各向异性场的贡献只占1/4,稀土原子的亚点阵才是各向异性场的主要来源。

因此,用稀土元素的相互替换及掺杂可以改变稀土磁体的各向异性场,而且稀土元素替换及掺杂量的多少也直接影响着矫顽力的大小。

　　4结论

　　由以上分析可以得出:

（1）Nd等稀土元素掺杂FeB永磁体形成复合材料后,可提高其居里温度,从而提高温度稳定性,拓宽了它的使用范围。

（2）稀土元素Tb掺杂Nd-Fe-B永磁体还可提高其矫顽力,从而可以进一步改善其磁性能,并且掺杂后能够改善磁体的微观结构。

　　参考文献

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　　EffectofNdandotherRare-earthElementsonMagneticPropertiesofIron-basedPermanentMagnets

　　HuangGang

　　（FacultyofMaterialsScienceandChemicalEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China）

　　Abstract:

Thecompositecrystalstructureandmagneticpropertiesofrareearth-doped-Fe-Bbasedmagnetswereintroduced,andtheeffectsofdifferentrareearthelementsontheCurietemperatureandcoercivityofiron-basedalloyswasdiscussed.TheresultsshowedthattherareearthelementdopingsuchasNd,TbmaybeappropriatetotheirCurietemperatureandcoercivity.

　　Keywords:

composite;

doping;

rare-earthelement