化學法制備稀土永磁納米材料研究現狀

張錦山+鄭潔+董季玲+丁皓

摘 要：稀土納米材料是一種具有優異的磁性能、良好熱穩定性、耐腐蝕性和力學性能等優點的新型永磁材料，目前這種新型永磁材料廣泛應用于電、光、磁等領域，成為了材料科學領域的一個研究熱點。文章主要介紹了近幾年稀土納米材料化學制備方法及其相關的研究進展，分析對比了制備稀土永磁納米材料不同化學方法的優缺點，并對其發展前景進行了展望。

關鍵詞：化學法；永磁材料；磁學性能

中圖分類號：TF125.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0036-02

1 概述

稀土永磁材料指的是稀土金屬和過渡族金屬形成的合金經一定的工藝制成的永磁材料。隨著現代化科技的發展，磁性材料的應用日益廣泛化。21世紀以來，器件小型化和集成化呈現出了快速發展的趨勢，這就對當前磁性材料提出了更高磁能積、綜合性能優良、輕便、低體積密度以及更高工作溫度的要求[1]。

目前常用的稀土永磁納米材料的制備方法分為物理法和化學法。物理法主要包括快淬法、粉末冶金法、雙合金法、機械合金化法、HDDR法等，化學制備方法有還原擴散法、表面活性劑輔助球磨法、溶膠-凝膠法等。采用物理方法制備的相似之處需要制備出粉體后對粉體采用熱壓成形的得到永磁體。值得注意的是，對NdFeB來說，物理法制備出的永磁體雖然具有高的矯頑力和磁晶各向異性，但其居里溫度和飽和磁化強度卻很低，溫度和化學穩定性也無法達到預期要求。采用化學法制備的稀土永磁體中稀土含量比物理法中含量低，得到的稀土永磁體也有較好的磁性能。

2 化學法制備NdFeB稀土永磁材料

2.1 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是有機絡合物在低溫下通過聚合反應形成溶膠，經干燥熱處理，得到比表面積大、分散好的納米粒子[2]。目前，該法已經成為制備稀土納米粒子的常用方法，是制備具有良好形貌Nd-Fe-B納米磁體的簡便方法之一[3]。

Deheri等[4]采用檸檬酸、乙二醇作為偶聯劑與反應溶劑，以NdCl3，FeCl3和H3BO3為原料，成功制備了Nd2Fe14B納米顆粒。溶膠-凝膠法在較低實驗溫度下制備NdFeB避免了傳統固相合成法需要在高溫下操作的弊端。同時，此法合成的納米粒子粒度小、成分精確、粒度分布窄，制得的稀土永磁體中稀土含量低，最終得到的稀土永磁體有著較高的磁性能。但此法在凝膠干燥過程中，因溶劑的揮發速度較快很容易致使材料的內部產生收縮應力，從而降低材料的力學性能。

2.2 共沉淀還原擴散法

共沉淀還原擴散法制備NdFeB永磁體是將合金元素按一定比例在水溶液進行共沉淀，再使共沉淀轉化成合金元素和氫還原產物，然后用鈣還原擴散法制備NdFeB永磁體[5]。該法工藝簡單，成本低，所得到的磁粉具有良好的磁性能，成為材料學界備受關注的焦點。

3 化學法制備SmCo稀土永磁材料

3.1 機械化學法

機械化學法是近幾年發展起來的一種新方法，通過高能球磨的作用使不同元素或其化合物相互作用，形成超細粉體。其基本過程是將粉末混合料與研磨介質一起裝入高能球磨機進行機械研磨，經過反復形變、破裂和冷焊，以達到破裂和冷焊的平衡，最終形成表面粗糙、內部結構精細的超細粉末[6]。

Zheng等人通過對Sm2O3、Co、Ca和CaO混合物進行高能球磨，低溫退火制備出了高性能的SmCo5納米磁粉[7]。采用機械化學法可以減小試樣的顆粒度，增大比表面積，使得后續的熱處理過程焙燒溫度大幅度降低。經機械化學處理后的各組分原料顆粒均勻化程度提高，從而使制備成的產品有更好的性能。但該方法仍存在著一些缺陷，如在球磨過程中存在“冷焊”現象使粒子的尺寸難以降低，高能機械球磨過程中，磨球與磨球、粉末與磨球之間會產生強烈地碰撞，使粉末發生強烈塑性變形并產生大量新鮮表面，這些粉末同磨球可產生分子引力而結合在一起，從而使粉末冷焊于磨球表面的涂層[8]。

3.2 鈣熱還原法

鈣熱還原法是將Sm2O3和CoO的混合物與Ca混合，經高溫還原退火得到SmCo5與CaO的混合物，除去多余的Ca和CaO，最終得到SmCo5納米粒子。采用液相合成和鈣熱還原法相結合制備SmCo5粒子取得了較大進展，該方法獲得的納米粒子晶粒小、矯頑力高。然而，鈣熱還原反應進行所需的高溫條件（900℃）易導致SmCo5粒子的燒結、團聚，使單疇納米粒子的獲得較困難，因此仍存在一定的改進空間[9]。

4 化學法制備其他稀土永磁材料

4.1 表面活性劑輔助球磨法

表面活性劑輔助球磨法也是一種經常采用的永磁納米材料合成方法，廣泛應用于永磁合金的制備。表面活性劑油胺、油酸、辛酸等的使用能有效地避免磁體顆粒在球磨過程中發生相互碰撞導致出現重聚現象，從而得到分散性良好的磁性納米粒子。Akdogan[10]等利用該法制備了NdCo5納米片及納米顆粒，并研究了其磁學性能，特別是磁轉變性質，兩者都表現出了低溫下高矯頑力的特點。表面活性劑輔助球磨法有希望被用來制備各向異性的納米復合磁體和高性能硬磁-軟磁交換耦合磁體。

4.2 共沉淀還原擴散法共沉淀還原擴散法作為化學混料法中的一種，是制備材料的濕化學方法中工藝簡單、成本低、所得粉體性能良好的一種新方法，其基本原理是用還原劑還原稀土氧化物得到稀土金屬，再通過稀土金屬與過渡族金屬互擴散直接得到稀土金屬間化合物Sm2Fe17，Sm2Fe17化合物滲氮后得Sm2Fe17Nx永磁粉末[11]。該法制備的稀土永磁材料最大優點是成本低、所需設備簡單，其應用前景良好。

5 結束語

采用化學法制備稀土永磁納米材料相比于物理法有著更加獨特的優勢，可以實現對材料成分、粒度、界面等控制。但是化學合成磁性納米材料仍然存在著諸如缺陷、雜質和產品形貌控制較難等很多的不足之處，還需進一步深入研究。此外，由于得到的大部分納米磁性材料中都含有貴重金屬元素這就導致了其生產成本較高，未來納米磁性材料的發展需要盡可能的減少貴重金屬的使用量，降低成本，拓寬稀土納米材料的應用領域。

參考文獻：

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[3]楊文龍，楊策，劉飛，等.稀土永磁納米材料的化學法制備及其磁學性能[J].大學化學，2014（03）：1-8.

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[9]陳文卓，殷海榮，馬振輝，等.SmCo5納米粒子及其納米復合材料的研究進展[J].稀有金屬，2017，38（6）：1-14.

[10]Akdogan，Nilay G.，Li，Wanfeng，Hadjipanayis，George C.Novel NdC

o5 nanoflakes and nanoparticles produced by surfactant-assisted high-energy ball milling.Journal of Nanoparticle Research，2012，14（2）：1-6.

[11]鄧庚鳳，孫光飛，姜坤.共沉淀還原擴散法制備Sm2Fe17Nx磁性材料[J].過程工程學報，2008（S1）：251-255.