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Fe-Nd-Al系块体非晶合金结构和磁性的研究

2020-11-28阅读(130)

Fe-Nd-Al系块体非晶合金结构和磁性的研究

论文摘要

非晶态合金具有长程无序、短程有序的结构特点，使其具有一系列独特的优良性能，如高强度、高硬度、耐腐蚀和耐磨损等。近年来一系列大块非晶合金的发现，更使其成为目前材料科学的热点领域之一。磁性材料是应用最为广泛的一种功能材料，具有优异磁性能的大块非晶合金的研究也备受人们的关注。本论文对Fe-Nd-Al系非晶合金的磁性能、非晶形成能力和晶化行为做了较为深入的研究，重点研究了该系列非晶合金在铸态和晶化后的微观结构和磁性能的变化规律。探索了在合金居里温度附近，外加脉冲磁场退火处理对具有铁磁性大块非晶合金磁性能的影响，研究了其晶化过程中磁性能与相组成和微观结构的变化关系。主要实验结果和结论如下：在FexNd90-xAl10（x=30-55）合金中提高Fe元素的相对含量，合金的饱和磁化强度提高，但其非晶形成能力有所下降。其中Fe53Nd37Al10合金是非晶形成能力较好、饱和磁化强度较高的Fe基合金。Fe53Nd37Al10合金的吸铸样品为软磁性，而条带样品为硬磁性，该现象与Nd基合金的磁性能恰好相反。通过HRTEM观察到Fe53Nd37Al10条带中的非晶相含有Ax有序相（α=0．549nm面心立方结构的相），这些具有各向异性的有序相通过交互耦合作用使得非晶相具有硬磁性，从而使Fe53Nd37Al10淬态条带为硬磁性。而Fe53Nd37Al10吸铸样品中的非晶相是完全无序的，所以表现为软磁性。Fe53Nd37Al10条带样品中含有大量的短程有序自旋玻璃态的磁有序结构，而Fe53Nd37Al10吸铸样品则主要是由长程有序的铁磁态结构组成。在研究Fe53Nd37Al10合金的过程中，得到了一种新的Nd基非晶合金Fe28Nd59Al13。该合金具有很好的非晶形成能力，吸铸样品为硬磁性，条带样品为软磁性。通过对Fe28Nd59Al13合金条带和吸铸样品结构和磁性能的分析，进一步证实了Nd基大块非晶合金的硬磁性来源于非晶相中的短程有序结构。在(Fe0．53Nd0．37Al0．10)100-xBx合金中，随着B元素的相对含量增加，合金的非晶形成能力下降，当B含量增加到5at％时，合金中已基本不含有非晶相。随着B含量的增加，合金从软磁性转变为硬磁性，这是由于合金中出现了新的晶态相Nd2Fe14B的缘故。当(Fe0．53Nd0．37Al0.10)100-xBx（x=2，4）合金在晶化退火后，硬磁性相Nd2Fe14B的相对含量增加，合金的内禀矫顽力得到进一步的提高。通过比较两种脉冲磁场退火工艺（工艺Ⅰ和Ⅱ）对合金磁性能的影响可知，在退火冷却阶段也外加磁场（工艺Ⅱ），可以避免磁场退火中已经偏转的磁矩在冷却过程中发生偏转复位，磁性能可以更加显著得提高。将(Fe0．53Nd0．37Al0．1)96B4≈Fe51Nd35Al10B4合金在463K、523K下5T脉冲磁场退火后，获得比常规退火更好的综合磁性能。特别是523K下采用工艺Ⅱ脉冲磁场退火，与常规退火相比，合金的剩磁提高幅度达25．9％。即利用脉冲磁场在合金的居里温度以下进行退火，可以明显改善大块非晶磁性材料的磁性能。适量Zr（6at％）的添加有效地提高合金[Fe0．51Nd0.35Al0.10B0．04]100-xZrx的非晶形成能力，合金从硬磁性转变为软磁性。在对x=6合金的研究结果中，发现了一种新的具有较好非晶形成能力和软磁性能的大块非晶合金Fe47Nd38Al12Zr3。在[Fe0．51Nd0．35Al0.10B0．04]100-xNbx合金中，适当Nb元素的添加（4at％-8at％）可以有效提高合金的非晶形成能力，而一定量（≥4at％）的Nb元素将会抑制硬磁相Nd2Fe14B的析出，使得合金从硬磁性转变成软磁性。少量Dy元素（1at％）的添加，使得合金[Fe0．51Nd0．35Al0.10B0．04]100-xDyx的磁性能大幅度提高，使合金的剩磁从13．42 Am2／kg提高到20．10Am2／kg，内禀矫顽力从237．4kA／m提高到491．0kA／m。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 第一章 绪论
  • 1.1 非晶合金的发展
  • 1.1.1 非晶态物质简介
  • 1.1.2 非晶态合金的发展简史
  • 1.2 大块非晶合金
  • 1.2.1 大块非晶合金的形成条件
  • 1.2.2 大块非晶合金的制备方法
  • 1.2.3 大块非晶合金的性能及应用
  • 1.3 Nd基大块非晶合金
  • 1.3.1 Nd基大块非晶的发展历史
  • 1.3.2 Nd基大块非晶的非晶形成能力
  • 1.3.3 Nd基非晶的磁性研究
  • 1.3.3.1 Nd基非晶磁性能
  • 1.3.3.2 Nd基非晶磁性机理的研究
  • 1.3.3.3 Nd基大块非晶合金磁结构的研究
  • 1.4 磁场在非晶合金中的运用
  • 1.4.1 磁场对相变过程的影响
  • 1.4.2 磁场对磁性材料的影响
  • 1.5 论文的研究目的和意义
  • 1.6 论文的主要研究内容
  • 第二章 实验原理和方法
  • 2.1 实验工艺流程
  • 2.2 样品制备
  • 2.2.1 熔炼吸铸
  • 2.2.2 真空甩带
  • 2.2.3 退火处理
  • 2.3 热分析
  • 2.3.1 差示扫描量热法
  • 2.3.2 热重法
  • 2.4 形貌和结构分析方法
  • 2.4.1 X射线衍射方法
  • 2.4.2 扫描电子显微镜
  • 2.4.3 透射电子显微镜
  • 2.4.4 原子力显微镜（Atom force microscope,AFM）
  • 2.5 磁性能测量
  • 2.5.1 振动样品磁场计
  • 2.5.2 超导量子磁强计
  • 第三章 Fe-Nd-Al合金的磁性能和晶化行为的研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 Fe-Nd-Al合金的非晶形成能力和磁性能
  • xNd90-xAl10（X=30-55）合金的磁性能和非晶形成能力'>3.2.1 FexNd90-xAl10（X=30-55）合金的磁性能和非晶形成能力
  • 63-xNd37Alx（x=5-12）合金磁性能和非晶形成能力'>3.2.2 Fe63-xNd37Alx（x=5-12）合金磁性能和非晶形成能力
  • 53Nd37Al20合金吸铸样品的磁性能'>3.3 Fe53Nd37Al20合金吸铸样品的磁性能
  • 28Nd59Al13合金结构和磁性能'>3.4 Fe28Nd59Al13合金结构和磁性能
  • 53Nd37Al10合金微观结构和磁性能的影响'>3.5 不同冷却速度对Fe53Nd37Al10合金微观结构和磁性能的影响
  • 53Nd37Al10合金结构和磁性能的影响'>3.5.1 不同冷却速度对Fe53Nd37Al10合金结构和磁性能的影响
  • 53Nd37Al10吸铸样品和条带样品的微观结构'>3.5.2 合金Fe53Nd37Al10吸铸样品和条带样品的微观结构
  • 53Nd37Al10条带样品退火态的结构和磁性能'>3.5.3 合金Fe53Nd37Al10条带样品退火态的结构和磁性能
  • 53Nd37Al10吸铸样品退火态的结构和磁性能'>3.5.4 合金Fe53Nd37Al10吸铸样品退火态的结构和磁性能
  • 53Nd37Al10合金条带和吸铸样品零场冷和场冷的磁化强度随温度的变化'>3.6 Fe53Nd37Al10合金条带和吸铸样品零场冷和场冷的磁化强度随温度的变化
  • 3.6.1 自旋玻璃的定义
  • 3.6.2 零场冷和场冷的磁化强度随温度的变化
  • 3.7 本章小结
  • 第四章 F6-Nd-Al-B合金的磁性能和晶化行为的研究
  • 4.1 前言
  • 4.2 Fe-Nd-Al-B合金的非晶形成能力和磁性能
  • 4.3 Fe-Nd-Al-B晶化退火样品的磁性能和结构
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 Fe-Nd-Al-B合金在脉冲磁场下居里温度附近退火态的磁性能和结构
  • 5.1 引言
  • 5.2 脉冲磁场退火工艺对合金磁性能的影响
  • 5.3 脉冲磁场退火（工艺Ⅱ,523K）对合金磁性能和结构的影响
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 F6-Nd-Al-B-（Zr,Nb,Dy）合金的非晶形成能力和磁性能的研究
  • 6.1 前言
  • 6.2 Fe-Nd-Al-B-Zr合金非晶形成能力和磁性能
  • 6.2.1 Fe-Nd-Al-B-Zr合金的非晶形成能力和磁性能
  • 0.5Nd0.35Al0.10B0.04)100-xZrx（x=0和6）退火态合金的磁性能和结构'>6.2.2 (Fe0.5Nd0.35Al0.10B0.04)100-xZrx（x=0和6）退火态合金的磁性能和结构
  • 0.5Nd0.35Al0.10B0.04)94Zr6合金的显微观察和Fe47Nd38Al12Zr3非晶合金的非晶形成能力和磁性能'>6.2.3 (Fe0.5Nd0.35Al0.10B0.04)94Zr6合金的显微观察和Fe47Nd38Al12Zr3非晶合金的非晶形成能力和磁性能
  • 47Nd38Al12Zr3非晶合金的玻璃转变和晶化动力学研究'>6.3 Fe47Nd38Al12Zr3非晶合金的玻璃转变和晶化动力学研究
  • 6.3.1 晶化的动力学分析模型
  • 6.3.2 玻璃转变的动力学分析模型
  • 6.3.3 理想玻璃转变温度的确定
  • 6.3.4 金属玻璃的连续加热转变图
  • 47Nd38Al12Zr3大块非晶的玻璃转变、晶化及其动力学'>6.3.5 Fe47Nd38Al12Zr3大块非晶的玻璃转变、晶化及其动力学
  • 6.4 Fe-Nd-Al-B-Nb合金非晶形成能力和磁性能
  • 6.4.1 Fe-Nd-Al-B-Nb合金的非晶形成能力和微观结构
  • 6.4.2 Fe-Nd-Al-B-Nb合金铸态和退火态的磁性能
  • 6.5 Fe-Nd-Al-B-Dy合金非晶形成能力和磁性能
  • 6.5.1 Fe=Nd-Al-B-Dy合金的非晶形成能力和磁性能
  • 0.51Nd0.35Al0.10B0.04)99Dyx（x=0和1）合金的磁性能和微观结构'>6.5.2 退火态(Fe0.51Nd0.35Al0.10B0.04)99Dyx（x=0和1）合金的磁性能和微观结构
  • 6.6 本章小结
  • 第七章 全文总结和主要创新点
  • 7.1 全文总结
  • 7.2 主要创新点
  • 参考文献
  • 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
  • 作者在攻读博士学位期间申请的相关专利
  • 作者在攻读博士学位期间所作的项目
  • 致谢

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