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科研进展

宁波材料所高性能钐钴永磁材料及关键制备技术取得研究进展
日期:2021-03-16, 查看:616

    2:17型钐钴永磁材料具有良好的磁性能和优异的温度稳定性,被广泛应用于航空航天、雷达通讯、轨道交通和5G通讯等重要领域。随着我国高端科技领域的飞速发展,对2:17型钐钴永磁材料磁性能提出了更高的要求。在2020年发表的中国工程院“稀土功能材料2035发展战略研究”中,明确将高性能钐钴列为未来需要重点发展的方向。高铁含量2:17型钐钴永磁材料是发展高性能钐钴磁体的优异载体,但胞状组织结构复杂且演变过程缺乏足够认识,磁性能与组织结构依赖关系的认识依然不充分,对精细结构的调控缺乏科学依据与有效手段,这对高性能钐钴磁体的开发和产业化构成了巨大的挑战。

    认识高铁含量钐钴磁体的胞状组织结构演变过程是突破性能瓶颈的关键理论基础,中科院宁波材料所稀土永磁团队重点针对胞状组织的固溶前驱体,通过不同热处理阶段显微结构的连续精细表征,在固溶体物相结构、胞状结构生长行为和铜元素偏聚扩散方面取得新的发现(Acta Materialia 200 (2020) 883–892)。研究在高铁含量2:17型钐钴固溶体1:7H主相中发现大量与基面平行的短条带状纳米尺度短程有序化微区,这些微区是由以2:17H和2:17R微孪晶结构为基础的2:17多型变体,且以极高的密度弥散而均匀地分布在1:7H基体中(如图1所示)。等温时效初始阶段,固溶体中的纳米短程有序化微区在1:7H基体相中沿垂直于c轴和平行于c轴方向快速生长,在垂直于c轴方向生长相交形成反相畴界,反相畴界使胞壁相沿2:17R相的两个锥面析出,基面堆垛顺序相反的有序化微区在平行于c轴方向上生长相交形成高密度2:17R相微孪晶。微孪晶以三个基面原子层、总柏氏矢量等于零的微台阶在1:5H/2:17R相界面上连续形核并滑动的方式完成有序化相变,形成胞状结构雏形。进一步研究发现,等温时效初期2:17R微孪晶的有序化转变过程是促进2:17型钐钴磁体铜元素偏聚扩散的新驱动力(如图2所示)。

    基于2:17R微孪晶有序化是促进铜元素偏聚动力的认识,团队利用双合金工艺在2:17型钐钴基体中掺杂轻稀土氧化物的方法,成功实现磁体胞状组织结构及铜元素分布调控。研究发现掺杂的轻稀土氧化物能够在其周边区域诱导形成高密度2:17H微孪晶结构。经时效处理后,氧化物周边区域形成了较大的胞状结构,且胞壁相铜元素含量显著高于远离氧化物区域。胞壁相高的铜含量使得氧化物周边胞状结构具有更强的磁畴壁钉扎作用(如图3所示),使磁体的矫顽力大幅提升(授权专利ZL201711260994.0,Journal of Alloys and Compounds 849 (2020) 156589)。利用该技术,团队开发出系列高性能高稳定性钐钴磁体,并在5G高频微波器件、高精密惯导系统等尖端装备中获得应用。

    相关研究工作为进一步推动高性能钐钴永磁材料的开发提供了新的理论基础,开发的矫顽力调控新技术有望进一步挖掘钐钴永磁材料的性能潜力。研究得到了宁波市新材料2025重大专项(2020Z037)、浙江省重点研发计划(2021C01191)等项目的支持,以及宁波材料所公共技术中心表征分析工作的支持。

图1 ((a)~(c))高铁含量2:17型钐钴固溶体高分辨及物相衍射斑点图,((d), (e))短程有序化微区及分布

图2  胞壁相中心区Cu和Fe元素平均含量随时效时间的变化