2:17型SmCo磁体磁性能温度稳定性研究

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随着科技发展的日新月异,新能源汽车、航天航空、雷达通信等新兴领域对永磁材料温度稳定性的要求越来越高。2∶17型SmCo永磁材料具有高磁性能和高居里温度的优点,是开发高温度稳定性永磁材料的重点对象之一。重稀土添加是降低2∶17型SmCo磁体剩磁温度系数的有效方法,目前重稀土对SmCo磁体剩磁的温度补偿效果及综合磁性能的影响尚不完全清楚,关键制备技术与效率还需进一步研究。本文通过对重稀土元素的剩磁温度补偿特点的深入认识,利用Gd和Er复合添加提升了低剩磁温度系数磁体的磁性能;发展了辅助液相法工艺实现低剩磁温度系数磁体的有效调控,系统研究了磁体组织结构、磁性能和磁化行为随液相添加的演变规律。矫顽力温度系数是表征2∶17型SmCo永磁体温度稳定性的另一关键参数,胞壁相结构与性质调控是提升矫顽力的主要途径。基于对RCo5(R=Pr,Nd,Dy,Tb,Ho)化合物随温度变化有自旋再取向转变发生的认识,本文设计并制备了具有自旋再取向转变行为胞壁相的2∶17型SmCo磁体,发现了正矫顽力温度系数的反常现象,探讨了该现象的矫顽力机制,进而利用该机制发展了一种矫顽力温度稳定性调控技术。具体研究内容及结果如下:  通过拟合分析与实验相结合的方法系统研究了重稀土元素Gd、Dy、 Ho、Er、Lu添加对2∶17型SmCo磁体剩磁温度稳定性的补偿特点和磁性能的影响。结果表明:Dy添加磁体的取向度恶化严重;Gd添加磁体具有高矫顽力和较低剩磁;Er添加磁体具有低矫顽力和较高剩磁。通过Gd和Er复合添加实现矫顽力和剩磁的双重优化,使同样具有超低剩磁温度系数(|α|<0.01%/℃)磁体,Gd0.5Er0.5添加较Gd添加,重稀土添加量由0.57降至0.4(占稀土总量),磁体最大磁能积(BH)max由14.95 MGOe提高至19.63 MGOe,表明复合添加不仅能够实现二者补偿优势的互补,而且补偿效果增强。  研究了Dy-Co液相添加对磁体微观组织结构、磁性能及磁化行为的影响。随液相添加量由0增加到5 wt.%,磁体饱和磁化强度及其温度稳定性的变化,导致磁体剩磁单调降低,剩磁温度系数α(20-100℃)单调升高。磁体胞状结构的变化,导致磁体矫顽力先升高再降低,矫顽力温度系数β(20-200℃)逐渐增加。微观结构和磁化行为分析表明,液相添加量为3 wt.%磁体,其胞状结构均匀完整,胞壁相厚度适中,在磁化和反磁化过程中表现出胞壁对畴壁一致的强钉扎作用,故磁体具有最高的矫顽力Hcj,为22 kOe。添加液相过低,薄且间断的胞壁相不能对畴壁形成一致的钉扎作用,添加液相过高,胞壁相体积含量太高致使两相分离磁化,均导致矫顽力降低。这些结果说明液相法可对磁体成分和胞状组织结构进行高效调控,实现磁体剩磁温度稳定性和综合磁性能的同时优化。  设计并制备了Sm1-xDyx(Co0.695Fe0.2Cu0.08Zr0.025)7.2(x=0.3,0.5,0.7)磁体,研究了其胞壁相自旋再取向行为对矫顽力温度依赖性的影响。热磁分析表明,磁体胞壁相随温度升高发生自旋再取向转变,并且随x的增加,胞壁相的自旋再取向转变温度TSR(1∶5)向高温移动。矫顽力温度依赖性分析显示,随温度的升高,矫顽力表现出先降低,并在TSR(1∶5)处获得极小值,然后升高再降低的复杂温度依赖关系。反磁化过程显示,当T>TSR(1∶5)时,磁体表现出单相反磁化特征;当T≤TSR(1∶5)时,表现出两相相分离的特征。通过对矫顽力温度依赖性的系统研究,本文阐明了胞壁相自旋再取向转变诱导反常矫顽力行为的物理机制:若将胞壁相视为磁体中的杂质或缺陷,矫顽力的温度依赖关系由主相磁晶各向异性参数变化和胞壁相控制的反磁化形核场的变化共同决定,在T=TSR(1∶5)时,磁体胞壁相可认为是一种类软磁相,胞壁相控制的反磁化形核场最小,因此获得矫顽力的一个极小值;在T<TSR(1∶5)时,主相磁晶各向异性随温度的升高单调减小,胞壁相控制的反磁化形核场也逐渐减小,导致矫顽力迅速降低;T>TSR(1∶5)时,易轴取向的1∶5相控制的反磁化形核场先增大后减小,主相磁晶各向异性随温度的升高依然单调减小,导致磁体矫顽力先升高后降低。  利用自旋再取向胞壁相对矫顽力温度稳定性的调控作用,结合重稀土元素对磁体剩磁温度稳定性的补偿特性,制备出了“零剩磁温度系数、零矫顽力温度系数磁体”的高稳定性Sm0.5Dy0.5(Co0.695Fe0.2Cu0.08Zr0.025)7.2磁体。在20-200℃区间,α为-0.0130%/℃,β为0.0019%/℃,室温最大磁能积(BH)max为10.76 MGOe。进而发展了一种新的矫顽力温度稳定性调控技术。根据自旋再取向转变类型的不同,提出了两种矫顽力温度稳定性补偿模型:①易面-易轴转变,降低低温矫顽力并且TSR(1∶5)附近获得矫顽力的一个极小值;②易锥-易轴转变,降低低温矫顽力,但不一定存在矫顽力极小值。在两种模型中矫顽力温度稳定性均变好。利用该模型指导,可以实现磁体矫顽力温度稳定性的多样性调控。
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