納米永磁材料的微結(jié)構(gòu)與有效各向異性及矯頑力.pdf

1、永磁功能器件已成為計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)信息、通訊、航空航天、交通、辦公自動(dòng)化等高技術(shù)領(lǐng)域的核心器件。隨著對(duì)器件小型化的要求越來(lái)越高，要求材料的磁能積越來(lái)越高。由于軟、硬磁性相晶粒間的交換耦合相互作用，納米復(fù)合永磁材料可同時(shí)具有軟磁性相的高飽和磁化強(qiáng)度和硬磁性相的高矯頑力，因此可具有更高的磁能積。但多年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：盡管剩磁有很大提高，但矯頑力下降太多，致使這類材料的磁能積遠(yuǎn)低于理論值，限制了其發(fā)展和應(yīng)用。 微觀結(jié)構(gòu)是影響材料磁性能的重

2、要因素。根據(jù)傳統(tǒng)的鐵磁學(xué)理論，磁晶各向異性屬于永磁材料的內(nèi)稟磁性，僅取決于材料的成分組成，與材料的微結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。受晶粒間交換耦合相互作用的影響，納米永磁材料的各向異性不僅取決于其成分，還與其微結(jié)構(gòu)有關(guān)。Herzer等人用隨機(jī)各向異性模型(Random AnisotropyModel)很好的解釋了納米軟磁材料優(yōu)異的磁性能。Areas等人在此基礎(chǔ)上提出了晶粒間的部分交換耦合模型，即對(duì)于交換耦合長(zhǎng)度Lex小于晶粒尺寸D但同處于一個(gè)數(shù)量級(jí)的磁性晶

3、粒，其表層一定厚度內(nèi)存在交換耦合作用，內(nèi)部不存在交換耦合作用。兩人都指出受交換耦合相互作用的影響晶粒界面處的各向異性比晶粒內(nèi)部的各向異性小，但用定值表示晶粒界面處的各向異性，模型過(guò)于簡(jiǎn)化。 基于以上分析，我們采用隨機(jī)各向異性模型，研究了晶粒微結(jié)構(gòu)(晶粒尺寸及其分布、晶粒間界相、晶粒界面等)對(duì)納米單相永磁材料及納米復(fù)合永磁材料的交換耦合相互作用、有效各向異性及矯頑力的影響。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下： 1.納米單相永磁材

4、料的有效各向異性及矯頑力以納米單相Nd2Fe14B永磁材料為例，研究了晶粒尺寸及其分布、非磁性晶粒間界相對(duì)納米單相永磁材料有效各向異性和矯頑力的影響。材料的有效各向異性與矯頑力隨晶粒尺寸的減小而下降，晶粒尺寸的非理想分布使有效各向異性和矯頑力進(jìn)一步下降。矯頑力隨晶粒尺寸的下降主要是有效各向異性或各向異性場(chǎng)的減小引起的。為了得到較高的有效各向異性和矯頑力，晶粒尺寸應(yīng)大于15nm，且晶粒尺寸分布應(yīng)盡可能的集中。非磁性晶粒間界相的存在削弱了硬

5、磁性相晶粒間的交換耦合相互作用。納米單相永磁材料中存在一定厚度的非磁性晶粒間界相有可能導(dǎo)致矯頑力的增加。 2.納米磁性晶粒界面處的各向異性用一個(gè)統(tǒng)一的公式K1ij(r)=K1i-ΔKij((Lexij-2r)/Lexij)3/2(i,j=s,h)來(lái)表示納米復(fù)合永磁材料中不同晶粒界面處的各向異性，式中ΔKij=K1i-K1ij(0),K1i表示i磁性相晶粒的磁晶各向異性常數(shù)，K1ij(r)表示i相和j相晶粒交換耦合時(shí)i相晶粒距晶粒表面r處

6、的各向異性常數(shù)，ΔKij,Lexij與K1ij(r)相對(duì)應(yīng)。其中ij相晶粒表面處各向異性常數(shù)K1ij(0)的值取決于交換耦合程度和界面微結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上分別計(jì)算了硬-硬、軟-硬磁性相晶粒的平均各向異性、軟-硬磁性相晶粒的有效各向異性。結(jié)果表明： 對(duì)于所有硬-硬磁性相晶粒表面處各向異性常數(shù)Khh(0)值，硬-硬磁性相晶粒的平均各向異性均隨晶粒尺寸D的增加而增加，且隨Khh(0)值的減小，的增加速率越來(lái)越大。當(dāng)0

7、.3K1h≤Khh(0)＜0.7K1h時(shí)，我們計(jì)算的＜Khh＞隨D的變化規(guī)律與Kronmuller等人計(jì)算的矯頑力隨D的變化非常相似。軟-硬磁性相晶粒的平均各向異性＜Khh＞隨軟-硬磁性相晶粒表面各向異性常數(shù)K1sh(0)值的變化而變化：當(dāng)K1sh(0)值較小時(shí)(取值為n(K1sK1h)1/2或小于0.7(K1s+K1h)/2)，＜Ksh＞隨著D的增加單調(diào)增加；當(dāng)K1sh(0)的取值在0.7(K1s+K1h)/2～(K1s+K1h)/2

8、之間時(shí)，＜Ksh＞隨著D的增加先增加后減小，在某一D值出現(xiàn)極大值。當(dāng)K1sh(0)的取值在0.7(K1s+K1h)/2～(K1S+K1h)/2之間時(shí)，我們的結(jié)論與相關(guān)實(shí)驗(yàn)、理論結(jié)果基本一致。 軟-硬磁性相晶粒的有效各向異性Ksheff隨軟、硬磁性相晶粒尺寸Ds、Dh的變化而變化。對(duì)于所有給定Ds值，隨著Dh的增加Ksheff先迅速增加，繼而達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。對(duì)應(yīng)于Ksheff出現(xiàn)穩(wěn)定值的Dh隨著Ds的增加而增加；對(duì)于所有給定Dh值

9、，Ksheff隨著Ds的增加而減小，且隨著Dh的增加，Ksheff減小的越來(lái)越慢。 3.納米復(fù)合永磁材料的交換耦合相互作用和有效各向異性在納米復(fù)合永磁材料中，不同磁性晶粒間具有強(qiáng)度不同的交換耦合相互作用。納米復(fù)合永磁材料軟、硬兩磁性相的不同分布導(dǎo)致了晶粒間交換耦合作用強(qiáng)度的不同。 納米復(fù)合永磁材料的有效各向異性Keff由處于各種耦合狀態(tài)的軟、硬磁性相晶粒的平均各向異性和相應(yīng)各種耦合狀態(tài)的幾率決定。在軟、硬磁性相晶粒尺寸相

10、同的情況下，Keff隨晶粒尺寸D的變化出現(xiàn)了最大值。當(dāng)軟磁性相晶粒尺寸Ds固定且硬磁性相體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)，Keff在某一硬磁性相晶粒尺寸Dh處出現(xiàn)最大值，且隨著硬磁性相體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。當(dāng)Dh固定時(shí)，Keff隨著Ds的增加而增加，隨著軟磁性相體積分?jǐn)?shù)vs的增加而減小。我們計(jì)算的Nd2Fe14B/α-Fe納米復(fù)合磁性材料的有效各向異性Keff隨晶粒尺寸D的變化規(guī)律與Sun等人計(jì)算的Nd2Fe14B/α-Fe納米復(fù)合磁性材料矯頑力的變化規(guī)