纳米技术在磁性材料中的应用

纳米技术是近年来崛起的一门崭新技术,它是在现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的,是一门基础研究与应用探索紧密联系的新型科学技术。纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域,现已成为当今世界活跃的研究热点之一。所谓纳米技术(nanotechnology)是指在纳米尺度(0.1~100nm)上,研究物质(包括原子和分子)的特性和相互作用,以及利用这些特性的多学科相互渗透的高新技术。它使人类的认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子水平,其最终目标是以物质在纳米尺度上表现出来的特性制造具有特定功能的产品,使之微型化,实现生产方式的跨越式发展。将对人类产生深远的影响,改变人们的思维和生活方式。

纳米技术的领域主要为纳米材料学、纳米物理学、纳米电子学、纳米机械学、纳米制造学、纳米生物学、纳米显微学、纳米计量学、纳米摩擦学和微电子机械系统(mems)等。在磁性材料中,纳米技术可用于纳米晶软磁材料、纳米晶永磁材料、纳米磁流体、纳米信息存储材料、纳米吸波磁性材料、纳米巨磁致伸缩材料等。

纳米晶软磁材料

纳米晶软磁材料一般是指材料中晶粒尺寸减小到纳米量级(一般≤50nm)而获得高起始磁导率(μi~105)和低矫顽力(hc~0.5a/m)的材料。一般是在fe-b-si基合金中加少量cu和nb,在制成非晶材料后,再进行适当的热处理,cu和nb的作用分别是增加晶核数量和抑制晶粒长大以获得超细(纳米级)晶粒结构。纳米晶软磁材料由于其特殊的结构其磁各向异性很小,磁致伸缩趋于零,且电阻率比晶态软磁合金高,而略低于非晶态合金,具有高磁通密度、高磁导率和低铁损的综合优异性能。

纳米晶软磁材料是1988年由日本日立公司的吉泽克仁及同事发现的,他们将含有cu、nb的fe-si-b非晶合金条带退火后,发现基体上均匀分布着许多无规取向的粒径为10~15nm的α-fe(si)晶粒。这种退火后形成的纳米合金,其起始磁导率相对于非晶合金不是下降而是大幅提高,同时又具有相当高的饱和磁感应强度,其组成为fe73.5cu1.0nb3.0si13.5b9.0。他们命名这种合金为finemet,finemet的磁导率高达105,饱和磁感应强度为1.30t,其性能优于铁氧体与非晶磁性材料。用于工作频率为30khz的2kw开关电源变压器,重量仅为300g,体积仅为铁氧体的1/5,效率高达96%。fe-cu-nb-si-b系纳米材料能够获得软磁性的重点原因是:在fe-cu-nb-si-b纳米材料中,α-fe(si)固溶体晶粒极为细小,每个晶粒的晶体学方向取决于随机无规则分布晶粒间的交换耦合作用,这种交换耦合作用的结果使得局域各向异性被有效地平均掉,致使材料的有效磁各向异性极低。

吉泽克仁的发现掀起了世界范围纳米晶软磁材料的研究热潮。继fe-si-b纳米微晶软磁材料后,90年代,fe-m-b,fe-m-c,fe-m-n,fe-m-o等系列纳米微晶软磁材料如雨后春笋破土而出。最近又有人研究了在fe-si-b-cu-nb纳米晶材料中加al对磁性的影响。随着al含量的增加,hc先显著降低,然后无大的变化;ms则线性减小;晶粒大小在最佳热处理情况下无明显的变化。我国学者张延中等人以v、mo取代fe-cu-nb-si-b合金中的nb,制备出的纳米晶合金薄带其软磁性能亦十分优异,成本亦相应降低。新近科学界又发现纳米微晶软磁材料在高频场中具有巨磁阻抗效应,又为它作为磁敏感元件的应用提供了良好的前景。

目前,纳米微晶软磁材料正沿着高频、多功能方向发展,其应用领域将遍及软磁材料应用的各方面,如功率变压器、脉冲变压器、高频变压器、扼流圈、可饱和电抗器、互感器、磁屏蔽、磁头、磁开关和传感器等,它将成为铁氧体的有力竞争者。

纳米微晶稀土永磁材料

由于稀土永磁材料的问世,使永磁材料的性能突飞猛进。稀土永磁材料已经历了smco5,sm2co17以及nd-fe-b三个发展阶段。自1983年第三代稀土材料nd-fe-b问世以来,以其优异的性能和资源丰富的原材料而成为各国研究者所关注的对象,目前烧结nd-fe-b稀土永磁的磁能积已高达432kj/m3(54mgoe),已接近理论值512kj/m3(64mgoe),并迅速走出实验室,进入规模化生产。nd-fe-b产值年增长率约为18%~20%,已占永磁材料总产值的40%。但nd-fe-b永磁体的主要缺点是居里温度偏低(tc≈593k),最高工作温度约为450k,此外化学稳定性较差,易被腐蚀和氧化,价格也比铁氧体高,这限制了它的使用范围。

目前研究方向是一方面探索新型的稀土永磁材料,如thmn12型化合物,sm2fe17nx,sm2fe17c化合物等,另一方面便是研制纳米复合稀土永磁材料。最早研制的纳米晶稀土永磁合金是在快淬nd-fe-b合金中添加某些微量元素如v、si、ga、nb、co等有利于晶粒细化并形成纳米晶,从而获得较高的br,达到提高(bh)max的目的。最近coehoorn[3]和ding等人提出了“双相纳米晶耦合永磁合金”的新概念。这种合金中至少含有两个主要磁性相:软磁相和硬磁

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发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计