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稀土永磁材料:烧结钕铁硼最新研究进展

导读: 当前,稀土永磁钕铁硼(Nd-Fe-B)已经被广泛应用在生活的方方面面,诸如磁悬浮列车、电动汽车、风力发电、音响等。然而烧结钕铁硼成品的矫顽力却只有理论值(斯托纳—沃尔法特极限)的20-30% (通常称为布朗悖论),这严重限制了钕铁硼的应用。

【引言】

当前,稀土永磁钕铁硼(Nd-Fe-B)已经被广泛应用在生活的方方面面,诸如磁悬浮列车、电动汽车、风力发电、音响等。然而烧结钕铁硼成品的矫顽力却只有理论值(斯托纳—沃尔法特极限)的20-30% (通常称为布朗悖论),这严重限制了钕铁硼的应用。现有理论认为,烧结钕铁硼的矫顽力主要由在退磁过程中晶粒边界附近产生的反向磁畴所需形核场决定。因此对晶粒边界如何影响矫顽力进行三维定量分析尤其重要,这样不仅可以加深对稀土永磁矫顽力机制的了解,还对实践生产有指导意义。

【成果简介】

近日,悉尼大学郑荣坤副教授(通讯作者)和第一作者陈翰笙博士与团队成员使用背散射衍射技术、原子尺度三维原子探针技术、以实验结果为模拟参数拟合基础的微磁学模拟技术报道了在烧结钕铁硼中由于在纳米尺度下成分不均匀的晶所导致的矫顽力进一步减低,并对晶粒边界成分和矫顽力进行了三维定量分析。研究表明在烧结钕铁硼中的晶粒边界中铁磁性元素(铁和钴)在70 nm的范围内从67 at.%减少至10 at.%。这种成分不均匀的晶粒边界附近产生反向磁畴所需要的形核场比含有同等铁磁性元素含量的均匀的晶粒边界产生反向磁畴所需要的形核场小27%。该成果不仅对工业生产,诸如纳米尺度下控制晶粒边界成分结构,具有指导意义, 同时本文所采用的分析方法也可以应用在其他磁性材料的成分与磁性性能的关系研究上。该研究成果以“Coercivity degradation caused by inhomogeneous grain boundaries in sintered Nd-Fe-B permanent magnets”为题刊登出版在Physical Review Materials上。

【图文导读】

图1:烧结钕铁硼在不同温度 (280、300、320、340和360 K)下的磁滞回线。

稀土永磁材料-烧结钕铁硼最新研究进展

图2:烧结钕铁硼在微米尺度下的显微结构。

稀土永磁材料-烧结钕铁硼最新研究进展

(a) 二次电子图;

(b) 背散射电子图;

(c) 标定的不同相的相图(2:14:1主相用红色标定,富稀土相用蓝色标定,白色为未标定区域,黑色线条画出了大角晶界)。

比例尺为20 微米

图3:不均匀晶界在原子尺度下的三维原子探针结果,分别显示了铁、钕、镨、硼、钴、铜、镓和铝的在主相晶粒(MG1和MG2)和晶界(GB)下的分布。

稀土永磁材料-烧结钕铁硼最新研究进展

边界尺度为 ~70 nm × ~70 nm × ~190 nm

图4:不均匀晶界在原子尺度下的三维原子探针结果的定量分析。发现烧结钕铁硼中的不均匀晶界中铁磁性元素(铁和钴)在70 nm的范围内从67 at.%减少至10 at.%。

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(a) 铁原子的三维分布以及铁的等含量曲面 (74.8 at.%);

(b) 在红色和蓝色立方体中沿箭头方向的铁、钕、镨的成分变化分布;

(c) 在绿色立方体中沿箭头方向的铁、钕、镨和钴的成分变化分布。

边界尺度为 ~70 nm × ~70 nm × ~190 nm

补充材料图2:用于进行模拟的微磁学模型。

稀土永磁材料-烧结钕铁硼最新研究进展

(a) 钕铁硼三明治模型(主相晶粒1—10 nm宽的晶界—主相晶粒2)的示意图,尺寸为 100 nm × 100 nm × 100 nm;

(b) 基于三维原子探针的不均匀晶界的成分变化示意图(x-z 平面),尺寸为100 nm × 100 nm。

图5:根据三维原子探针结果进行的微磁学模拟实验。发现这种成分不均匀的晶粒边界(粉色曲线)附近产生反向磁畴所需要的形核场比含有同等铁磁性元素含量的均匀的晶粒边界(蓝色曲线)产生反向磁畴所需要的形核场小27%。

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(a) 基于钕铁硼三明治模型(主相晶粒1—10 nm宽的晶界—主相晶粒2)的微磁学模拟的退磁曲线,绿色、蓝色、粉色和黄色曲线分别代表晶界铁磁性元素成分为0、40 at.%、38.7 at.%(不均匀)和67 at%;

(b) 在退磁情况下,晶界铁磁性元素成分为0的三明治模型的磁矩翻转情况(愿意从边界开始形成反向磁畴);

(c) 在退磁情况下,晶界铁磁性元素成分为67 at%的三明治模型的磁矩翻转情况(愿意从晶界和主相晶粒的交界面开始形成反向磁畴)。

(d) 在退磁情况下,晶界铁磁性元素成分为38.7 at.%(不均匀)的三明治模型的磁矩翻转情况(愿意从铁磁性元素含量较高的晶界区域和主相晶粒的交界面开始形成反向磁畴)。

图6:对均匀晶界和不均匀晶界模拟的磁化强度、交换场、磁晶各向异性场、退磁场。发现在退磁过程中,反向磁畴更容易从低磁晶各向异性场、高交换场和高退磁场的区域产生。

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(a) 晶界为40 at.% Fe(均匀)的三明治模型模拟的磁化强度、交换场、磁晶各向异性场、退磁场;
磁化强度、交换场、磁晶各向异性场、退磁场的范围分别是1.17 × 106, 2.29 × 104, 5.51 × 106和 3.35 × 105 A/m

(b) 晶界为38.7 at.%(不均匀)的三明治模型模拟的磁化强度、交换场、磁晶各向异性场、退磁场。
磁化强度、交换场、磁晶各向异性场、退磁场的范围分别是1.31 × 106, 2.15 × 104, 5.51 × 106和 1.59 × 106 A/m

【小结】

本文使用三维原子探针技术定量化研究了元素沿晶界和穿过晶界的成分变化。基于实验数据拟合了不同成分的晶界的饱和磁化强度、磁晶各向异性常数和交换常数,并定量化分析了晶界纳米尺度下的成分变化对矫顽力的影响。

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