Nd等稀土元素掺杂对铁基永磁合金的磁性影响

Nd等稀土元素掺杂对铁基永磁合金的磁性影响

摘要:本文介绍了以Nd、Tb为代表的几种稀土元素掺杂所形成的铁硼基磁体复合材料的晶体结构与磁性能,并讨论了不同稀土元素掺杂对铁基永磁合金的居里温度及矫顽力的影响,发现在铁硼磁体中适量掺杂Nd、Tb等稀土元素可适当提高其居里温度及矫顽力。

关键词:Nd-Fe-B;复合材料;掺杂;稀土元素

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。

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Effect of Nd and other Rare-earth Elements on Magnetic Properties of Iron-based Permanent Magnets

Huang Gang

(Faculty of Materials Science and Chemical Engineering,China University of Geosciences, Wuhan430074,China)

Abstract: The composite crystal structure and magnetic properties of rare earth-doped-Fe-B based magnets were introduced,and the effects of different rare earth elements on the Curie temperature and coercivity ofiron-based alloys was discussed.The results showed that the rare earth element doping such as Nd, Tbmay be appropriate to their Curie temperature and coercivity.

Key words:Nd-Fe-B;composite;doping;rare-earth element