粘结Nd-Fe-B永磁体制备工艺及其性能研究

论文摘要

本文用模压成型方法制备了粘结Nd-Fe-B磁体，分析了Nd-Fe-B合金体系的热力学性质，利用差热分析仪（DSC）、扫描电镜（SEM）、抗弯／抗压强度测试仪、MATS-2010H永磁材料测量仪等分析设备，系统地研究了硅烷耦联表面改性处理、粘结剂含量、强磁场、成型工艺及固化工艺等参数对粘结Nd-Fe-B磁体组织结构和性能的影响，进而优化了粘结Nd-Fe-B磁体的制各工艺。Nd-Fe-B合金体系的热力学分析表明，在Nd-Fe-B合金体系熔炼及冷却过程中，Nd2Fe14B相变反应的吉布斯自由能变化小于零，因此，生成Nd2Fe14B相的相变反应是可以自发进行的，这是制备Nd-Fe-B永磁体的先决条件；元素Nd、Fe和B都是容易被氧化的元素，它们氧化物的生成反应比Nd2Fe14B相的相变反应更容易，因此，在Nd-Fe-B磁体制备过程中，要尽量降低合金中的氧含量。用硅烷对Nd-Fe-B磁粉进行表面包覆改性处理，改善了磁粉的抗氧化性，提高了粘结磁体的相对密度、力学性能和磁性能，当耦联剂含量为1wt％时，表面处理效果最好。粘结剂含量对磁体性能的影响结果显示：粘结磁体的力学性能随着粘结剂含量的增加而增大；而磁性能随着粘结剂含量的增加而减小。本文研究了环氧树脂粘结Nd-Fe-B磁体制备工艺，工艺C是单向压制成型，且无保压时间，制备工艺简单，生产效率高，工艺C适合大批量工业化生产；工艺C制备磁体时，使磁体获得最佳力学性能的工艺条件为：①环氧树脂与固化剂含量比为7：3，②160℃左右的固化温度，③620Mpa的成型压力；磁体的剩磁和最大磁能积随着成型压力的增加而增加，而内禀矫顽力随着成型压力的增加反而降低。本文用强磁场对环氧树脂粘结Nd-Fe-B磁体进行饱和磁化，当磁场强度从1．5T增到5T时，磁体的剩磁Br和最大磁能积（BH）max增加很快；当磁场强度从5T增到10T时，磁体的Br和（BH）max增加很慢；当磁场强度大于10T以后，磁体的Br和（BH）max几乎不再增加；磁场强度从低到高变化时，磁体的内禀矫顽力Hci变化不大，没有明显的变化规律。本文利用温压成型工艺制备了酚醛树脂粘结Nd-Fe-B磁体，温压成型磁体的性能比室温压制磁体的性能有较大的提高，在酚醛树脂含量为3wt％，压制压力为620MPa时，室温压制磁体的相对密度仅为89．4％，剩磁为0．6176T，内禀矫顽力为704．2kA／m，最大磁能积为72．1kJ／m3；而温压磁体的相对密度提高到97．3％，剩磁达到了0．6786T，内禀矫顽力达到了714．2kA／m，最大磁能积达到了79．7kJ／m3。酚醛树脂粘结Nd-Fe-B磁体可以不进行二次固化，未二次固化磁体的最佳温压温度为180℃。当其它工艺参数相同时，二次固化后磁体的磁性能与未二次固化磁体的磁性能相比降低了，这是因为二次固化后，磁体的热损失、热应力增大，磁体被氧化的几率增大，导致磁体的磁性能下降，可见二次固化对磁体磁性能是不利的。本文用温压成型工艺制备了尼龙（尼龙12）粘结Nd-Fe-B磁体，160℃温压磁体的力学性能比室温压制磁体的力学性能提高很多，当温压温度从160℃增加到190℃时，磁体力学性能有少量的增加；当温压温度从190℃增加到200℃时，磁体力学性能变化不大；磁体的力学性能随着成型压力的增加而增加，没有出现拐点；磁体的剩磁和最大磁能积随着成型压力的增加而增加，而磁体的内禀矫顽力降低；磁体的磁性能随着固化温度的升高而降低；对环氧树脂粘结Nd-Fe-B磁体及尼龙粘结Nd-Fe-B磁体的断口扫描电镜分析可知，粘结Nd-Fe-B磁体是一种脆性材料，粘结剂的含量及粘结强度是磁体力学性能的决定因素，大颗粒磁粉自身的强度对磁体的力学性能有一定的贡献。本文研究了复合（环氧树脂和尼龙66）粘结Nd-Fe-B磁体，并与环氧树脂和尼龙粘结Nd-Fe-B磁体的性能进行比较，尼龙12粘结剂体系制备Nd-Fe-B磁体由于磁体密度相对较低，磁体内部空隙较多，粘结剂的粘结强度较低，因此，磁体的力学性能也较低；复合粘结剂体系制备Nd-Fe-B磁体，当EP：PA=1．0：3．5时，磁体密度与环氧树脂粘结剂体系的磁体密度相当，但由于尼龙66含量比环氧树脂多2．5wt％，因此，尼龙66是影响磁体粘结强度的主导因素，加上尼龙66的力学性能优于环氧树脂，所以复合粘结磁体的力学性能比其它两种磁体的高。尼龙粘结Nd-Fe-B磁体密度比环氧树脂粘结及复合粘结Nd-Fe-B磁体密度低，磁体内部单位体积中的磁性颗粒少，因此，尼龙粘结Nd-Fe-B磁体的剩磁和磁能积比其它两种磁体的低，但磁体的内禀矫顽力比其它两种磁体的高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 物质磁性的来源
• 1.3 永磁材料
• 1.4 永磁材料的技术参量
• 1.5 钕铁硼永磁材料
• 1.6 粘结钕铁硼永磁材料
• 1.7 粘结钕铁硼磁体的国内外研究现状及发展趋势
• 1.8 本文研究的意义、主要内容和技术路线
• 2 Nd-Fe-B合金体系的热力学分析
• 2.1 引言
• 2.2 Nd-Fe-B系合金的相图及相变
• 2.3 Nd-Fe-B-O四元热力学体系的建立
• 2.4 等温反应体系标准吉布斯自由能变化的求解
• 2.5 合成反应体系组成物的活度α计算
• 2.6 反应体系等温等压条件下△G的计算及分析
• 2.7 本章小结
• 3 环氧树脂粘结钕铁硼磁体的制备工艺及其性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验原料、设备及性能测试方法
• 3.3 磁粉的表面改性
• 3.4 磁粉表面改性对磁体性能的影响
• 3.5 制备工艺对环氧树脂粘结钕铁硼磁体力学性能的影响
• 3.6 工艺因素对粘结钕铁硼磁体磁性能的影响
• 3.7 脉冲强磁场对磁体磁性能的影响
• 3.8 本章小结
• 4 酚醛树脂粘结钕铁硼磁体的制备工艺及其性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验原料及实验方法
• 4.3 粘结剂含量对磁体性能的影响
• 4.4 压制方法对磁体性能的影响
• 4.5 温压温度对磁体性能的影响
• 4.6 温压压力对磁体性能的影响
• 4.7 固化温度对磁体性能的影响
• 4.8 本章小结
• 5 尼龙粘结钕铁硼磁体的制备工艺及其性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验原料及实验方法
• 5.3 尼龙12的DSC及TGA分析
• 5.4 工艺因素对磁体密度的影响
• 5.5 工艺因素对磁体力学性能的影响
• 5.6 磁体断口形貌及断裂机理分析
• 5.7 工艺因素对磁体磁性能的影响
• 5.8 注射成型与温压成型制备尼龙粘结磁体的性能比较
• 5.9 本章小结
• 6 复合粘结钕铁硼磁体的制备工艺及其性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验原料及实验方法
• 6.3 工艺因素对磁体密度的影响
• 6.4 工艺因素对磁体力学性能的影响
• 6.5 工艺因素对磁体磁性能的影响
• 6.6 本章小结
• 7 全文总结
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士期间发表与待发表论文