纳米永磁材料的微结构与有效各向异性及矫顽力

论文摘要

永磁功能器件已成为计算机、网络信息、通讯、航空航天、交通、办公自动化等高技术领域的核心器件。随着对器件小型化的要求越来越高，要求材料的磁能积越来越高。由于软、硬磁性相晶粒间的交换耦合相互作用，纳米复合永磁材料可同时具有软磁性相的高饱和磁化强度和硬磁性相的高矫顽力，因此可具有更高的磁能积。但多年的实验结果表明：尽管剩磁有很大提高，但矫顽力下降太多，致使这类材料的磁能积远低于理论值，限制了其发展和应用。微观结构是影响材料磁性能的重要因素。根据传统的铁磁学理论，磁晶各向异性属于永磁材料的内禀磁性，仅取决于材料的成分组成，与材料的微结构无关。受晶粒间交换耦合相互作用的影响，纳米永磁材料的各向异性不仅取决于其成分，还与其微结构有关。Herzer等人用随机各向异性模型（Random AnisotropyModel），很好的解释了纳米软磁材料优异的磁性能。Arcas等人在此基础上提出了晶粒间的部分交换耦合模型，即对于交换耦合长度Lex小于晶粒尺寸D但同处于一个数量级的磁性晶粒，其表层一定厚度内存在交换耦合作用，内部不存在交换耦合作用。两人都指出受交换耦合相互作用的影响晶粒界面处的各向异性比晶粒内部的各向异性小，但用定值表示晶粒界面处的各向异性，模型过于简化。基于以上分析，我们采用随机各向异性模型，研究了晶粒微结构（晶粒尺寸及其分布、晶粒间界相、晶粒界面等）对纳米单相永磁材料及纳米复合永磁材料的交换耦合相互作用、有效各向异性及矫顽力的影响。本文的主要研究内容和结果如下：1．纳米单相永磁材料的有效各向异性及矫顽力以纳米单相Nd2Fe14B永磁材料为例，研究了晶粒尺寸及其分布、非磁性晶粒间界相对纳米单相永磁材料有效各向异性和矫顽力的影响。材料的有效各向异性与矫顽力随晶粒尺寸的减小而下降，晶粒尺寸的非理想分布使有效各向异性和矫顽力进一步下降。矫顽力随晶粒尺寸的下降主要是有效各向异性或各向异性场的减小引起的。为了得到较高的有效各向异性和矫顽力，晶粒尺寸应大于15nm，且晶粒尺寸分布应尽可能的集中。非磁性晶粒间界相的存在削弱了硬磁性相晶粒间的交换耦合相互作用。纳米单相永磁材料中存在一定厚度的非磁性晶粒间界相有可能导致矫顽力的增加。2．纳米磁性晶粒界面处的各向异性用一个统一的公式K1ij（r） = K1i-△Kij((Lexij-2r)/Lexij3/2 （i,j = s,h）来表示纳米复合永磁材料中不同晶粒界面处的各向异性，式中△Kij = K1i-K1ij（0），K1i表示i磁性相晶粒的磁晶各向异性常数，K1ij（r）表示i相和j相晶粒交换耦合时i相晶粒距晶粒表面r处的各向异性常数，△Kij，Lexij与K1ij（r）相对应。其中i,j相晶粒表面处各向异性常数K1ij（0）的值取决于交换耦合程度和界面微结构。在此基础上分别计算了硬．硬、软．硬磁性相晶粒的平均各向异性、软-硬磁性相晶粒的有效各向异性。结果表明：对于所有硬-硬磁性相晶粒表面处各向异性常数Khh（0）值，硬-硬磁性相晶粒的平均各向异性<Khh>均随晶粒尺寸D的增加而增加，且随Khh（0）值的减小，<Khh>的增加速率越来越大。当0．3 K1h≤Khh（0）<0．7 K1h时，我们计算的<Khh>随D的变化规律与Kronmuller等人计算的矫顽力随D的变化非常相似。软-硬磁性相晶粒的平均各向异性<Ksh>随软-硬磁性相晶粒表面各向异性常数K1sh（0）值的变化而变化：当K1sh（0）值较小时(取值为n（K1sK1h）1/2或小于0．7（K1s+K1h）/2)，<Ksh>随着D的增加单调增加；当K1sh（0）的取值在0．7（K1s+K1h）/2-（K1s+K1h）/2之间时，<Ksh>随着D的增加先增加后减小，在某一D值出现极大值。当K1sh（0）的取值在0.7（K1s+K1h）/2-（K1s+K1h）/2之间时，我们的结论与相关实验、理论结果基本一致。软-硬磁性相晶粒的有效各向异性Keffsh随软、硬磁性相晶粒尺寸Ds、Dh的变化而变化。对于所有给定Ds值，随着Dh的增加Keffsh先迅速增加，继而达到一个稳定值。对应于Keffsh出现稳定值的Dh随着Ds的增加而增加；对于所有给定Dh值，Keffsh随着Ds的增加而减小，且随着Dh的增加，Keffsh减小的越来越慢。3．纳米复合永磁材料的交换耦合相互作用和有效各向异性在纳米复合永磁材料中，不同磁性晶粒间具有强度不同的交换耦合相互作用。纳米复合永磁材料软、硬两磁性相的不同分布导致了晶粒间交换耦合作用强度的不同。纳米复合永磁材料的有效各向异性Keff由处于各种耦合状态的软、硬磁性相晶粒的平均各向异性和相应各种耦合状态的几率决定。在软、硬磁性相晶粒尺寸相同的情况下，Keff随晶粒尺寸D的变化出现了最大值。当软磁性相晶粒尺寸Ds固定且硬磁性相体积分数较大时，Keff在某一硬磁性相晶粒尺寸Dh处出现最大值，且随着硬磁性相体积分数的增加而增加。当Dh固定时，Keff随着Ds的增加而增加，随着软磁性相体积分数vs的增加而减小。我们计算的Nd2Fe14B／α-Fe纳米复合磁性材料的有效各向异性Keff随晶粒尺寸D的变化规律与Sun等人计算的Nd2Fe14B／α-Fe纳米复合磁性材料矫顽力的变化规律基本相似，当软磁性相的体积分数在一定范围内时，二者均出现了极值。我们给出的表达式很好地描述了晶粒界面处的各向异性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 稀土永磁材料发展概况
• 1.1.1 第一代稀土永磁材料
• 1.1.2 第二代稀土永磁材料
• 1.1.3 第三代稀土永磁材料
• 1.1.4 纳米复合永磁材料
• 1.2 纳米复合永磁材料的研究
• 1.2.1 纳米复合永磁材料的实验研究
• 1.2.1.1 添加微量元素对纳米复合永磁材料磁性能的影响
• 1.2.1.2 制备工艺对纳米复合永磁材料磁性能的影响
• 1.2.2 纳米复合永磁材料的理论研究
• 1.2.2.1 一维理论模型
• 1.2.2.2 二维、三维理论模型
• 1.2.2.3 随机各向异性模型
• 1.3 纳米复合永磁材料磁性能的理论与实验比较
• 1.4 本文研究意义和内容
• 1.4.1 研究目的和意义
• 1.4.2 本文的研究内容
• 参考文献
• 第二章 纳米单相永磁材料的微结构与有效各向异性及矫顽力
• 2.1 纳米单相永磁材料的实验研究
• 2.2 晶粒尺寸分布对纳米单相永磁材料有效各向异性和矫顽力的影响
• 2.2.1 单个磁性晶粒的平均各向异性
• 2.2.2 晶粒尺寸分布对有效各向异性和矫顽力的影响
• 2.2.3 结果与讨论
• 2.2.4 小结
• 2.3 晶粒间界相对纳米单相永磁材料有效各向异性和矫顽力的影响
• 2.3.1 非磁性晶粒间界相对有效各向异性和矫顽力的影响
• 2.3.2 结果与讨论
• 2.3.3 小结
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 纳米复合永磁材料晶粒界面处的各向异性
• 3.1 晶粒界面处各向异性
• 3.2 晶粒平均各向异性
• 3.2.1 模型与方法
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.2.3 小结
• 3.3 软硬磁性相晶粒的有效各向异性
• 3.3.1 模型与方法
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.3.3 小结
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 纳米复合永磁材料的有效各向异性
• 4.1 微结构对纳米复合永磁材料磁性能影响的实验事实
• 4.2 纳米复合永磁材料的交换耦合相互作用和有效各向异性
• 4.2.1 交换耦合相互作用分析
• 4.2.2 纳米复合永磁材料的有效各向异性
• 4.2.3 不同磁性晶粒界面的分布几率
• 4.3 晶粒尺寸对纳米复合永磁材料有效各向异性的影响
• 4.3.1 晶粒尺寸对单个晶粒平均各向异性的影响
• 4.3.2 纳米复合永磁材料的有效各向异性随硬磁性晶粒尺寸的变化
• 4.3.3 纳米复合永磁材料的有效各向异性随软磁性晶粒尺寸的变化
• 4.3.4 小结
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 博士期间发表待发表论文及获奖情况
• 附录一 发表英文文章全文三篇
• 学位论文评阅及答辩情况表