土木专业建筑学二磁性功能材料三随堂讲义.pptx

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1、会计学1土木专业建筑学二磁性功能材料三随堂讲土木专业建筑学二磁性功能材料三随堂讲义义n n3.1 3.1 概述概述 （一）定义，基本要求，用途（一）定义，基本要求，用途 （二）发展历史（二）发展历史 （三）分类（三）分类n n3.2 FeNiAl,AlNiCo3.2 FeNiAl,AlNiCo永磁合金永磁合金n n3.3 Fe-Cr-Co3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金可加工永磁合金n n3.4 3.4 稀土永磁合金稀土永磁合金n n3.5 3.5 铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料n n3.6 3.6 双相纳米晶复合永磁材料双相纳米晶复合永磁材料第1页/共56页 永磁材料永磁材料 具有高矫顽

2、力，高剩磁的磁性材料称为具有高矫顽力，高剩磁的磁性材料称为永磁材永磁材永磁材永磁材料料料料，也叫，也叫硬磁硬磁硬磁硬磁或者或者恒磁材料恒磁材料恒磁材料恒磁材料。（一）定义，基本要求，用途第2页/共56页 永磁材料的主要用途永磁材料的主要用途 利用永磁体在气隙中产生足够利用永磁体在气隙中产生足够利用永磁体在气隙中产生足够利用永磁体在气隙中产生足够强的磁场强的磁场强的磁场强的磁场，利用磁极与磁极的，利用磁极与磁极的相互作用，磁场对带电物体或相互作用，磁场对带电物体或载流导体的相互作用做功，实载流导体的相互作用做功，实现能量，信息的转换。现能量，信息的转换。第3页/共56页第4页/共56页Hg：磁场

3、强度Bm：磁感强度Hm：磁场强度Vm：磁铁的体积 Vg：气隙的体积最大磁能积(BH)max：退磁曲线上磁能积最大的一点，工程应用中通常将(BH)max称为磁能积。第5页/共56页永磁材料的基本要求：永磁材料的基本要求：1.1.B Br r要高要高2.2.HHc c要高要高3.3.最大磁能积最大磁能积(BH)(BH)mm要高要高4.4.T Tc c要高要高 第6页/共56页n n3.1 3.1 概述概述 （一）定义，基本要求，用途（一）定义，基本要求，用途 （二）发展历史（二）发展历史 （三）分类（三）分类n n3.2 FeNiAl,AlNiCo3.2 FeNiAl,AlNiCo永磁合金永磁合金

4、n n3.3 Fe-Cr-Co3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金可加工永磁合金n n3.4 3.4 稀土永磁合金稀土永磁合金n n3.5 3.5 铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料n n3.6 3.6 双相纳米晶复合永磁材料双相纳米晶复合永磁材料第7页/共56页早期永磁材料是碳钢，后来加入C,W，Cr，Al等形成磁钢1931年，铸造铁镍铝合金，之后加入各种添加元素如钴、铜、钛、铌等而发展成为牌号为AlNiCo5、AlNiCo8的铝镍钴合金60年代初出现的稀土钴永磁合金，RCo5(R代表稀土元素)称为第一代稀土永磁1983年，出现了以Nd-Fe-B为代表的第三代稀土永磁材料间隙稀土金属间化合物永磁

5、材料；纳米晶复合交换耦合永磁材料。R2CO17称为第二代稀土永磁第8页/共56页（三）永磁材料种类：金属永磁材料（FeNiAl，AlNiCo等）铁氧体永磁材料（MOxFe2O3）稀土永磁材料（Nd-Fe-B等）双相纳米晶复合永磁材料第9页/共56页n n3.1 概述n n3.2 FeNiAl,AlNiCo永磁合金n n3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金n n3.4 稀土永磁合金n n3.5 铁氧体永磁材料n n3.6 双相纳米晶复合永磁材料第10页/共56页3.2.FeNiAl3.2.FeNiAl和和和和AlNiCoAlNiCo永磁合金永磁合金永磁合金永磁合金 FeNiAl FeNiAl和

6、和AlNiCoAlNiCo：在在Fe-Ni-AlFe-Ni-Al三元合金的基础上发展起来的铸造永磁合金三元合金的基础上发展起来的铸造永磁合金 主要成分：主要成分：FeFe，NiNi，AlAl，（可加入，（可加入CoCo，CuCu，或，或MoMo，TiTi）FeNiAl FeNiAl常用成分：常用成分：Fe-25at%Ni-25%Al Fe-25at%Ni-25%Al 第11页/共56页1相是铁磁相2相为NiAl弱磁相。相是Ni基弱磁相。第12页/共56页图上虚线表示常用的Fe-Ni-Al合金成分，它在1400附近成相，900附近产生1+2转变。Fe-5%Al47.5%Ni-Al第13页/共56

7、页n nAlNiCoAlNiCo合金：合金：n n相图特征，相结构，相转变和磁硬化机理与相图特征，相结构，相转变和磁硬化机理与FeNiAlFeNiAl合合金相同金相同 n n各相存在的温度范围及居里温度有所不同各相存在的温度范围及居里温度有所不同n nAlNiCo5AlNiCo5：24%Co24%Co，14%Ni14%Ni，8%Al8%Al，3%Cu3%Cu，余，余FeFen nAlNiCo8AlNiCo8：35%Co35%Co，14%Ni14%Ni，7%Al7%Al，4%Cu4%Cu，5%Ti5%Ti，余，余FeFe第14页/共56页AlNiCo合金发生的调幅分解：1(FeCo)+2(NiA

8、l)1：BCC结构，Ms比FeNiAl材料中的更高，Tc870。2：NiAl根据冷却过程中加或者不加磁场，可以得到磁各向异性或者各向同性的材料。第15页/共56页磁场热处理 Alnico5合金经冶炼、铸造 固溶处理：200 冷却：1100-850：大于0.1/s的速度冷却，900-850：160-420kA/m的磁场，磁场 中以(0.1-1.0/s)冷却至200回火：600回火5-10hr第16页/共56页经磁场热处理后，1+2两相已经形成，但成分差别较小，还需经过时效处理，使1相更加富Fe、Co，2相更加富Ni、Al，两相的成分差、磁性差加大，Hc提高。AlNiCo永磁体的制备工艺简图24C

9、o-14Ni-8Al-3Cu-Fe（AlNiCo5）性能：Br=1.29T，Hcb=52.0kA/m,(BH)m=40.0kJ/m3（磁场热处理）Br=0.87T,Hcb=47.2kA/m,(BH)m=17.1kJ/m3（未经过磁场热处理）第17页/共56页n n磁场处理能够提高磁场处理能够提高AlNiCoAlNiCo磁性能的原因：磁性能的原因：100是1和2相的惯习面如果不进行磁场处理，则1相是相互正交1相的Tc高于磁场处理和相分解温度，1相一析出就是铁磁性1相优先沿与磁场方向平行的2相的(100)面析出，与磁场垂直或成一定角度的那些(100)面上的1相的析出受到一定程度的抑制得到了伸长形的

10、1相颗粒沿磁场方向规则排列的显微组织得到各向异性的AlNiCo永磁体，其磁性能大大地提高第18页/共56页A：取向因子p：2相体积百分数NL、Nd：1相长轴和短轴方向的退磁因子M1、M2：1相和2相的饱和磁化强度Ms：合金的饱和磁化强度Dp：相单畴粒子由铁磁性转变为顺磁性的临界尺寸D：1相单畴颗粒的尺寸回火处理的目的是扩大（NL-Nd）和（M1-M2)的差值，从而进一步提高矫顽力。矫顽力：第19页/共56页n nAlNiCo8：在AlNiCo5合金的基础上，提高Co含量，同时加入少量的Ti，同时调整Ni和Al的含量就可以得到FeNiCo8合金。n nAlNiCo8AlNiCo8：35%Co35

11、%Co，14%Ni14%Ni，7%Al7%Al，4%Cu4%Cu，5%Ti5%Ti，余，余FeFe第20页/共56页n nAlNiCo8的固溶温度一般为1300左右，为了避免相的析出，AlNiCo8的冷却速度要比AlNiCo5的冷速快，以约200/min的冷速冷到850，施加160kA-420KA/m，冷却到800 左右进行等温磁场处理。（由于Co含量的增加，亚稳分解速度减小，故在800左右进行等温磁场处理）。第21页/共56页AlNiCo永磁体的制备工艺简图第22页/共56页改进AlNiCo铸造方式，采用蜂窝状的铸模。在高温铸模内钢液自下而上结晶，从而得到平行棒状样品轴向的柱状晶。对于AlN

12、iCo合金来说100是优先生长方向，因此柱状晶的100轴与样品轴平行。在磁场处理时，沿样品轴向加磁场，从而提高了1相的取向因子A，并扩大了(NL-Nd)的差值，因此柱状品AlNiCo样品的磁性能大大提高。第23页/共56页24Co-14Ni-8Al-3Cu-Fe（AlNiCo5）性能：Br=0.87T,Hcb=47.2kA/m,(BH)m=17.1kJ/m3（未经过磁场热处理）Br=1.29T，Hcb=52.0kA/m,(BH)m=40.0kJ/m3（磁场热处理）Br=1.33T，Hcb=56.064.0kA/m,(BH)m=5664kJ/m3（柱晶）第24页/共56页l3.1 概述l3.2

13、FeNiAl,AlNiCo永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金l3.5 铁氧体永磁材料l3.6 双相纳米晶复合永磁材料第25页/共56页3.3 Fe-Cr-Co3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金可加工永磁合金可加工永磁合金可加工永磁合金n n7070年代发展起来的永磁材料年代发展起来的永磁材料n n基本成分为：基本成分为：20203333CrCr，3 32525CoCo，其余为铁，其余为铁n n改变组分含量、特别是改变组分含量、特别是CoCo含量或添加其他元素如含量或添加其他元素如TiTi等，可改善其永磁性能等，可改善其永磁性能n n通常添加的元素有通常添

14、加的元素有MoMo、Si Si、V V、NbNb、TiTi、WW等等第26页/共56页l3.1 概述l3.2 FeNiAl,AlNiCo永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金（一）简介（二）SmCo5永磁材料（三）NdFeB永磁合金l3.5 铁氧体永磁材料l3.6 双相纳米晶复合永磁材料第27页/共56页（一）简介第28页/共56页 稀土永磁合金的特点：n n磁晶各向异性能（K）和磁弹性能（）很大 六角晶系，四方晶系，强烈的单轴各向异性第29页/共56页（二）（二）（二）（二）SmCo5 SmCo5稀土永磁合金稀土永磁合金稀土永磁合金稀土永磁合金SmCo5型晶体

15、结构（a）和单位晶胞（b）第30页/共56页SmCo5的性能：Br=0.80.95T，Hcb=557756kA/m,(BH)m=135159kJ/m3 若采用强磁场取向等工艺：Br=1.07T，Hcb=851.7kA/m,(BH)m=227.6kJ/m3成分对SmCo5的性能的影响：生产上采用富Sm成分，避免Sm2Co17的生成 富Sm时烧结性好，容易获得高密度第31页/共56页 已经实用的烧结永磁体：SmCo5，CeCo5，PrCo5 ReCo5的缺点：磁感温度系数过高 改进：用重稀土元素部分地取代RECo5中的轻稀土元素第32页/共56页（三）（三）（三）（三）Nd-Fe-B Nd-Fe-

16、B永磁合金永磁合金永磁合金永磁合金Sm-Co永磁局限性：Sm（在稀土矿中Sm含量仅有0.53）含有昂贵的战略金属Co1983年日本住友金属公司发现NdFeB系永磁材料第33页/共56页n n优点：1.磁能积高磁能积高，(BH)m=290kJm3 (BH)m433.62kJ m3 2.矫顽力矫顽力达到了2400kAm 3.价格便宜价格便宜，Nd和Fe的资源丰富(在稀土矿中含有1320%的Nd)，价格便宜。第34页/共56页n n缺点：居里温度低居里温度低：Tc3l0 温度稳定性差温度稳定性差 耐蚀性，抗氧化性差耐蚀性，抗氧化性差第35页/共56页（1）Nd-Fe-B 的相结构和组成 Nd-Fe-

17、B优异的性能主要来源于成分为Nd2Fe14B的磁性相。实际上，许多稀土元素都和Fe，B形成类似的相。该相为四方相，每个单胞由4个Nd2Fe14B分子组成。第36页/共56页B的作用：少量的B进入NdFe合金后，不仅使得结构从六角结构变成四角，而且易磁化轴也转到C轴上，从而使钕铁硼成为高性能永磁材料。第37页/共56页第38页/共56页（2）Nd-Fe-B的微观组织1.Nd2Fe14B 基体相 2.Nd1+Fe4B4（富B相）3.富Nd相（Nd1-xFex）第39页/共56页n nNdFeB合金的矫顽力 理论值5.571MA/m，实际值 1.5MA/m，27%n nNdFeB合金矫顽力来源：1.

18、由晶界或者相界的钉扎场决定 2.由反磁化畴的形核场决定第40页/共56页n n合金化改善性能：n n提高提高Tc：加入Co取代部分Fen n提高抗腐蚀性能提高抗腐蚀性能：加入Cr，V，Ni等n n改善温度稳定性改善温度稳定性：加入Al，Nb，Ga等第41页/共56页（3）Nd-Fe-B 磁体的制备 磁粉的制备 a.熔体快淬法熔体快淬法冷速：105-106K/s美国GM公司非晶态至微晶第42页/共56页b.气体雾化法日本神户制钢所和美国坩埚应用磁性公司表面光滑，呈球状粒径为410um第43页/共56页c.机械合金化西门子公司充Ar气的高能球磨机将原料进行球磨，利出产生的高温让原料发生固相反应；也

19、可在氩气中加氢气，让磨碎的粉末吸氢使晶粒细化，平均晶粒尺寸减到1um左右，然后对合金粉进行热处理。第44页/共56页 d.HDDR法（氢爆）HDDR流程及所伴随的反应得到粒径为300nm的细小晶粒第45页/共56页 Nd-Fe-B Nd-Fe-B 磁体的制备磁体的制备磁体的制备磁体的制备 a.a.粘结法粘结法粘结法粘结法电子，电气设备的小型化领域第46页/共56页Nd-Fe-B 磁体的制备 b.烧结法第47页/共56页l3.1 概述l3.2 FeNiAl,AlNiCo永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金l3.5 铁氧体永磁材料l3.6双相纳米晶复合永磁材料第4

20、8页/共56页3.5 3.5 铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料 铁氧体永磁材料是由铁的氧化物和锶(或钡等)化合物按一定比例混合，经预烧、破碎、制粉、压制成型、烧结和加工而成。当前应用的永磁铁氧体主要为六角晶系的磁铅石型铁氧体，其化学式为MOxFe203。其中MBa，Sr，Ca或Pb等。在水磁铁氧体中，已达实用化的主要有BaO6Fe2O3，SrO6Fe203等。第49页/共56页3.6 3.6 双相纳米晶复合永磁材料双相纳米晶复合永磁材料双相纳米晶复合永磁材料双相纳米晶复合永磁材料第50页/共56页Nd-Fe-B系系Sm-Fe-N系系Nd4Fe80B20：Bs=1.6T,Br=1.4T，Hc=240KA/mSm7Fe93Nx：Br=1.4T，Hc=310KA/m,（BH）max=205kJ/m3第51页/共56页第52页/共56页第53页/共56页Spinodal分解也叫斯皮诺达尔分解，亚稳分解，调幅分解，增幅分解，拐点分解。1+2第54页/共56页调幅分解和一般的相变相比还有一些特点:不需要形核和形核功，也不需要孕育期;一种自发的分解过程;上坡扩散 第55页/共56页