Nd-Fe-B/a-Fe双相纳米复合永磁材料的发展及研究进展

王 飞

四川大学材料科学与工程学院，四川 成都 610065

1 稀土永磁材料的发展概况

稀土永磁材料是以稀土金属元素R（Sm.Nd.Pr等）与过渡族金属TM（Co.Fe等）所形成的一类高性能永磁材料，通常以技术参量：最大磁能积、剩磁、磁感矫顽力、内禀矫顽力等来衡量该类物质的性能。这些值越大，材料的性能越好，质量越高，而使用这类材料的磁性器件便可小型化、轻量化、高性能化。它是20世纪60年代出现的新型金属永磁材料，其发展至今已经历了第一代SmCo5系（1:5型），第二代Sm2Co17系（2:17型）以及第三代Nd-Fe-B系稀土永磁材料。由于前两代稀土永磁材料都含有地壳中的微量元素Sm和战略储备物资Co，因而这两种永磁体成本太高，应用推广受到很大的局限。为了摆脱Sm、Co的束缚，降低磁体的成本，人们将研究的焦点转向成本低廉的稀土一铁基磁体的上，至此迈向了开发稀土一铁基磁体的新时代。

2 Nd-Fe-B/a-Fe双相纳米复合永磁材料的研究进展

为充分发挥纳米晶复合永磁材料高磁能积、高剩磁的优点，克服内禀矫顽力低的缺点，人们对如何改善Nd2Fel4B/α-Fe相的组成、分布状态和晶粒大小等关键因素进行了大量的实验研究。目前，制备纳米晶复合稀土永磁材料方法很多，其中熔体快淬法（MQ法）是制备R2Fel4B/α-Fe系列纳米晶双相复合永磁材料使用的比较多，也是研究比较深入的一种工艺方法。该工艺利用单辊真空熔体快淬设备冶炼母合金，然后真空快淬得到鳞片状薄带，其晶粒大小一般在30nm左右，经粉碎和适当热处理得到细小的粉末。但是采用熔体快淬法制备的纳米复合永磁材料，由于快淬薄带冷却速度不均导致材料晶粒大小差异较大，进而影响了晶粒间的耦合作用使磁性能仍不太理想。

纳米复合粉体的另一种常见的制备方法为机械合金化法。机械合金化法是制备纳米晶稀土永磁材料的一种有效的方法，它对原始粉末进行高时间的球磨，然后再讲产物在适当条件下进行退火，这样也可以得到与快淬法相同的微观组织。但是由于机械合金化法制备的超微细粉不能与空气接触，否则极易氧化自燃，工艺条件苛刻，现阶段仍无法进行批量生产且磁性能也没有得到较大的提高，因此还处在实验室研究阶段。

为了进一步改善纳米复合磁体中软硬磁相分布的均匀性，提高纳米复合磁体的磁性能。研究人员们采用声化学、磁控溅射、脉冲激光喷镀、电镀以及化学镀膜等方法在富稀土成分的磁粉表面包覆一层软磁相。有人采用超声化学方法将Nd-Fe-B磁粉浸在正癸烷有机溶剂中，采用双频超声化学反应装置使五羰基铁（Fe（CO）5）分解并包覆在Nd-Fe-B磁粉表面，然后通过离心分离、无水乙醇洗涤（去除有机溶剂）获得纳米复合磁粉。此种方法虽然可获得软硬磁相分布均匀的纳米复合磁粉，但是，实验过程中需将Nd-Fe-B磁粉浸在有机溶剂中进行包覆，因而Nd-Fe-B磁粉表面与包覆层单质铁之间必定有机溶剂残留影响磁体性能，且实验成本较高。又有人想出采用磁控溅射、脉冲激光喷镀、电镀、化学镀法制备纳米复合磁粉。然而磁控溅射、脉冲激光喷镀和电镀法对设备要求严格且工艺复杂，成本太高，而且电镀中的镀液很难处理，不利于环保；而化学镀前，基体材料需进行活化、敏化等镀前处理，较活泼的富Nd相容易腐蚀，只有约1/4～1/3的粉末颗粒能够被镀上软磁材料，效率很低，而且化学镀后的复合磁粉也需要分离和洗涤，化学液体需要处理，非磁性的化学试剂也不可避免残留在复合磁粉中，导致磁体的磁性能下降。

基于上述方法的缺点与局限性，为了进一步提高纳米复合磁体的磁性能，必须考虑一种工艺简单，成本合理的制备方法。以便充分发挥纳米晶复合永磁材料的优点，改善软、硬磁性相的组成、分布的均匀性和晶粒大小，保证软、硬磁性相间很好的交换耦合作用。

3 展望

Nd2Fe14B/α-Fe纳米晶双相复合稀土永磁材料是结合了硬磁性相高磁晶各向异性和软磁性相高饱和磁化强度的优点，又通过纳米尺度下两相间的铁磁交换耦合作用，使材料具有优异的综合磁性能。因此，有人针对纳米复合稀土永磁材料发展中存在的问题，为改善Nd2Fe14B /α-Fe纳米复合稀土永磁体的微观结构以提高磁性能，从该思路出发，提出一种可调控优化复合磁体的相结构，进而制备高性能各向异性纳米复合稀土永磁的新方法，即以富稀土成分的钕铁硼条带和五羰基铁为原料，采用化学气相沉积技术实现单质Fe对Nd-Fe-B快淬磁粉表面的均匀包覆，得到Nd-Fe-B/α-Fe复合磁粉；然后将复合磁粉进行放电等离子烧结来制备各向同性纳米复合稀土永磁，促使复合磁体在较低温度下迅速致密化，有效抑制晶粒长大；最后通过热塑性变形获得各向异性纳米复合稀土永磁，该工艺利用压力和温度的共同作用来促使软硬磁晶粒沿特定方向排列，使磁体获取各向异性；该工艺可实现快速升温，缩短磁体在高温下的停留时间，抑制晶粒过分生长，以期充分改善其磁性能，从而为纳米晶双相复合稀土永磁材料提供新的制备方法和研究思路。

NdFeB双相纳米复合永磁材料由于具有优异的磁性能和商业价值，已成为当今材料领域研究的热点。因此，在这种背景下开展基础研究，具有明显的理论意义和实用价值。为了发展我国的Nd-Fe-B稀土永磁产业，充分发挥我国的稀土资源优势，提高我国钕铁硼磁体产品在国际市场上的竞争力，发展高性能Nd-Fe-B磁体提供技术支持。

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