Nd等稀土元素摻雜對鐵基永磁合金的磁性影響

摘要:本文介紹了以Nd、Tb為代表的幾種稀土元素摻雜所形成的鐵硼基磁體復合材料的晶體結構與磁性能，并討論了不同稀土元素摻雜對鐵基永磁合金的居里溫度及矯頑力的影響，發(fā)現(xiàn)在鐵硼磁體中適量摻雜Nd、Tb等稀土元素可適當提高其居里溫度及矯頑力。

關鍵詞:Nd-Fe-B;復合材料;摻雜;稀土元素

1引 言

稀土永磁材料是當前具有很高磁能積和多種優(yōu)良磁性的永磁材料，尤其是第三代稀土永磁材料釹鐵硼磁體的出現(xiàn)，迅速改變了永磁材料的研究生產和應用的格局。Nd-Fe-B永磁體的性能較第一、二代永磁體有很大提高，它的最大磁能積(BH)max為400～490kJ/m3，理論值可達640kJ/m3，是當今磁性能最高的永磁材料，被譽為“永磁之王”[1]。高性能的永磁材料要求具有以下六個基本性能:最大磁能積、飽和磁化強度高、矯頑力大、剩磁強、各向異性場和居里溫度高，而釹鐵硼(Nd-Fe-B)永磁體除了具有最大磁能積(BH)外，還具有內秉矯頑力大、剩余磁感應強度高等特點，這些因素都賦予了它優(yōu)異的磁性能。

稀土元素由于其獨特的4f電子結構、大的原子磁矩，以及很強的自旋軌道耦合磁矩等特性，決定了其晶體結構的對稱性較低，磁性電子(4f電子)處于較內殼層，自旋一軌道相互作用和晶(體電)場作用都較強，因而具有原子磁矩高、磁晶各向異性高、磁致伸縮系數高、磁光效應高和磁有序轉變溫度(居里點和奈爾點)低(稱為“四高一低”)以及磁有序結構復雜等特點，特別是當稀土元素與其它元素形成配合物時，更具有豐富的磁學、電學及光學特性[2-4]。因此，要使NdFeB永磁體獲得更廣泛的應用，就要在其中摻雜某些稀土金屬元素以提高釹鐵硼(Nd-Fe-B)永磁體的磁性能，使其達到最優(yōu)性能。本文將研究摻雜稀土元素對釹鐵硼(Nd-Fe-B)永磁體不同磁性能的影響，包括對其居里點和矯頑力的影響。

2釹鐵硼(Nd-Fe-B)永磁合金的晶體結構[5]

以Nd2Fe14B為代表的稀土鐵硼永磁合金屬四方晶系，空間群為P42/mnm。一個晶胞由4個Nd2Fe14B分子組成，含有68個原子，分布在9個晶位上，Nd原子占兩個晶位(4f、4g)， Fe原子占六個晶位(16K1、16K2、8J1、8J2、4e、4c)，B原子占一個晶位(4g)。通過中子衍射確定了Nd2Fe14B在室溫下的磁結構，其磁矩排列是鐵磁性的，Nd與Fe的磁矩均與晶胞c軸平行，因此Nd2Fe14B具有較高的飽和磁化強度和磁晶各向異性場。

3釹鐵硼(Nd-Fe-B)永磁合金的磁性能

以稀土元素組成的RE2Fe14B化合物，發(fā)現(xiàn)除La外，其他稀土元素均能形成穩(wěn)定的RE2Fe14B化合物，表1列出了RE2Fe14B化合物的磁性能[6]。

從表1可以看出，RE2Fe14B雖然具有一系列優(yōu)異的磁性能和其他優(yōu)勢，如高飽和磁化強度等，但它的居里溫度、工作溫度和矯頑力均不夠高。

3.1 摻雜對居里溫度的影響

稀土元素能與鐵形成RE2Fe14B系化合物，但由于其晶格中Fe-Fe原子之間的距離比較近，而Fe磁矩的局域性較強，受其鄰近原子的影響比較大，周圍鄰近原子數、原子間距等因素都會對Fe的磁矩產生較大影響，最終導致居里溫度低，從而導致Nd-Fe-B材料的溫度性能差，耐熱性不高，使Nd-Fe-B材料的用途受到很大的限制。因此，要提高居里溫度就必須增加Fe-Fe原子間距[6]，主要是在磁體中摻雜加入其他類型的鐵磁或非鐵磁性原子。在摻雜鐵磁物質中，其中一種是加入稀土元素，因為除La外，其他稀土元素均能形成穩(wěn)定的RE2Fe14B化合物，而且稀土元素擁有很多優(yōu)異的磁學性能，如摻雜重稀土元素(Tb、Dy)可提高永磁材料的矯頑力，以改善溫度特性;或摻雜Ga也將帶來較高的矯頑力以及較低的不可逆損失;摻雜Nb也會對Nd-Fe-B的溫度特性產生影響[7]。另一種方法是摻雜不具有磁學性質的原子，如B、C等半徑較小的元素，它們可成為固溶元素，存在于晶格中，從而改變Fe-Fe原子間距，也可達到提高居里溫度的目的。

3.2 摻雜對矯頑力的影響

雖然Nd2Fe14B四方晶系化合物的理論磁能積可達640kJ/m3，但Nd-Fe-B系列永磁體的矯頑力還不夠理想。因此，為進一步提高Nd-Fe-B永磁材料的矯頑力，就必須通過摻雜，而且除了摻雜稀土元素外，還要盡可能摻雜一些其它金屬元素，如摻雜少量的Co、Al、Nb均能對提高合金性能起到重要作用。如在Nd2Fe14B磁體中加入Al，使Al部分進入基體代替Fe原子，可提高Fe原子點陣的磁晶各向異性，會使疇壁變窄，有利于實現(xiàn)晶粒間晶界的疇壁釘扎;未進入主晶相的部分Al有可能形成有利于晶粒間界釘扎的缺陷或另一個相，因而總效應是使磁感矯頑力提高。加入Nb 會使剩余磁感應強度稍有降低，但提高了磁感矯頑力[8-9]，因為隨著Nb的加入，可使其晶粒細化，這是Nb提高矯頑力的原因之一;與此同時，剩余磁感應強度的降低，表明Nb也可能出現(xiàn)于晶粒內部。Co能提高居里溫度，但卻使磁感矯頑力降低，據文獻報導[10]，在Nd2Fe14B永磁體中綜合摻雜Al、Nb、Co，摻雜后磁體材料的矯頑力大大提高，由432kA·m-1升高至700kA·m-1 。

圖1為稀土元素Tb的摻雜對Nd2Fe14B永磁體矯頑力的影響[11]。從圖1可以看出，永磁體的矯頑力隨著稀土元素Tb含量的增加而增大，Tb含量在0at%～043at%范圍內時，矯頑力增長較快;Tb含量大于0.43at%時，矯頑力增長較慢。研究證明，稀土永磁體的矯頑力與磁晶各向異性場成正比關系，一般情況下，如果各向異性場大，那么矯頑力自然也大。這是因為高的各向異性場能夠提高四方相磁晶粒的反磁化疇形核場，而高的原磁化疇形核場又是獲得高矯頑力的關鍵。

摻入Tb后，永磁體具有更高的各向異性場，其值高達17512kA/m，并且通過SEM分析證實，含Tb試樣的微觀結構仍然保持了基本的釹鐵硼磁性材料的結構特征[12-13]，因此，這種稀土元素摻雜是可行的。稀土元素與鐵及硼形成的金屬化合物中，鐵的亞點陣對各向異性場的貢獻只占1/4，稀土原子的亞點陣才是各向異性場的主要來源。因此，用稀土元素的相互替換及摻雜可以改變稀土磁體的各向異性場，而且稀土元素替換及摻雜量的多少也直接影響著矯頑力的大小。

4結 論

由以上分析可以得出:

(1)Nd等稀土元素摻雜FeB永磁體形成復合材料后，可提高其居里溫度，從而提高溫度穩(wěn)定性，拓寬了它的使用范圍。

(2) 稀土元素Tb摻雜Nd-Fe-B永磁體還可提高其矯頑力，從而可以進一步改善其磁性能，并且摻雜后能夠改善磁體的微觀結構。

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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