《纳米复合磁性材料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米复合磁性材料（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、项目名称： 新型纳米复合磁性材料及其应用的关键新型纳米复合磁性材料及其应用的关键基础研究基础研究首席科学家： 中国科学院金属研究所中国科学院金属研究所起止年限：依托部门： 中国科学院中国科学院一、研究内容纳米复合永磁材料纳米复合永磁材料关键科学问题：进行纳米复合永磁材料的结构设计， ， ， ，发展纳米复合永磁材料可控制备技术。特别是重视发展以 bottom-up 化学过程+快速烧结为主导的技术路线，力争突破制备高性能的各向异性纳米复合永磁材料的技术瓶颈。研究纳米晶的生长机制、结构特征、结构稳定性和性能可靠性，从一个更深的层次来理解纳米复合永磁材料的纳米晶在生长过程中的行为及其与磁性能之间的关系
2、。从理论上分析不同结构的纳米复合磁性材料中导致软磁相不成为反磁化核的中心而能够和硬磁相耦合在一起的临界尺寸与微观组织结构特征。探索满足实现纳米耦合的高矫顽力的硬磁新相和高饱和磁化强度的软磁新相。从实验方面调节和改变材料的交换作用强度、改变和增强材料的磁晶各向异性、饱和磁化强度，从根本建立易于实现纳米耦合的条件。研究新型可控制备技术相分离过程中亚稳相的成相规律及其与成分、温度、时效的关联性。建立纳米复合磁性材料微观组织结构与磁性能的关系模型，获得相分离后的相关联性及它们之间的磁交换作用机制和交换耦合的条件。用快速烧结制备纳米晶和热变形等工艺制备高性能的各向异性Nd2Fe14B/-Fe 纳米复合永
3、磁材料，通过优化两相的微观组织结构和成分，以获得最佳永磁性能的材料，掌握新型纳米复合结构制备的关键技术。主要研究内容：1、 纳纳米复合永磁材料的米复合永磁材料的结结构构设计设计和制和制备备技技术术的的发发展展采用快淬、HDDR 结合相分离法、化学合成、快速烧结制备纳米晶和热变形工艺等多种新工艺和实验手段，探索适宜可控制备纳米结构永磁材料的方法，不仅能够实现硬磁软磁双相耦合或硬磁相间的耦合，而且实现硬磁晶粒排列取向呈现织构，以求接近或达到理论预期的高磁能积，掌握制备新型高性能纳米复合永磁材料的关键技术、获得最佳的纳米复合结构与磁性能，这是本课题的创新性之处。特别是重视发展以 bottom-up
4、化学过程+快速烧结为主导的技术路线，力争突破制备高性能的各向异性纳米复合永磁材料的技术瓶颈。研究相分离与成分、温度、时效的关联性。研究相分离法、热变形工艺等非平衡过程的相形成规律及结晶过程中的晶体学生长特征，相分离的介观结构变化、相交换耦合的结构条件。掌握用上述方法制备 NdFeB 基、2:17 相、新型 Co 基 1:7 相等为主体的纳米复合永磁材料的成分设计及工艺条件，控制纳米复合永磁材料的晶粒尺寸和微观结构，以获得最佳永磁性能。2、 、纳纳米米复复合合磁磁性性材材料料的的磁磁性性耦合耦合机机理理研究永磁相和软磁相实现纳米耦合的机理和条件。如：用中子衍射技术与XRD 技术结合确定材料的磁性
5、相结构和晶体结构，研究成分、结构、元素晶格占位、磁性相变、健长、夹角等结构因素与材料性能的关系。用磁力显微镜观测新相的磁畴结构，结合磁性测量研究磁畴宽度、畴壁厚度及其影响因素与耦合作用强度、磁晶各向异性、饱和磁化强度、最大磁能积等磁性参数的关系。用 SEM 和TEM 电子显微镜观测材料中晶粒结构、取向、尺寸对磁性的影响。即综合利用各种观测手段，获得物质结构和磁性结构与材料最终性能的关系，为研究纳米耦合机理和优化耦合条件提供实验基础。理论分析不同结构的纳米复合磁性材料中形成最佳磁性交换耦合的临界尺寸；从实验上探索满足具有高矫顽力的硬磁和高饱和磁化强度的软磁相耦合的条件。本课题的创新性之一就是利用
6、交换弹性耦合效应或纳米复合微观组织结构来改变材料的交换作用强度、磁晶各向异性、饱和磁化强度，来调节材料的交换长度 lex、畴壁厚度W、单畴临界尺寸 dC以及硬磁参数，建立易于实现纳米耦合的微观结构和条件。从实验测定的总交互作用中分离出对磁化过程有重要意义的短程交换和长程磁偶极交互作用。建立微观组织结构与磁性能的关系模型，研究其磁性交换耦合作用机制和条件，实现纳米复合微观组织结与磁性能的可控制备。3、探索、探索实现纳实现纳米耦合的高米耦合的高矫顽矫顽力和高磁能力和高磁能积积的硬磁新相和高的硬磁新相和高饱饱和磁化和磁化强强度的度的软软磁新相磁新相元素周期表中常温下能够提供强磁性的金属只有 Fe,C
7、o,Ni。其中-Fe 磁性最强，其原子磁矩 2.2 B。Fe-Co 合金的原子磁矩可提高到 2.4 B。本项目将采用间隙原子效应来实现最有效的磁性调制。将 N、C、H 等作为间隙原子加入母合金，基于间隙原子的磁体积效应和化学键效应，改变稀土铁化合物的电子能带结构和晶场作用。同时，改变材料的磁畴结构，形成硬磁材料理想的 180 度畴壁的磁畴结构，探索制备新型高性能永磁相。进一步开展间隙原子效应研究，包括电子能带结构、晶场作用计算，为有效地调控材料的内禀磁性提供依据。同时拟把间隙原子效应研究扩展到软磁材料，寻求饱和磁化强度高于 Fe-Co 合金的间隙型软磁材料，探索新型的高矫顽力兼高磁能积的双相纳
8、米耦合材料。这是本课题的另一创新点。4、高性能永磁高性能永磁纳纳米复合材料的化学合成及磁体的米复合材料的化学合成及磁体的应应用研究用研究基于交换弹性耦合机理，在理论分析的基础上，研究发展可控制备纳米尺度硬磁与软磁耦合复合磁体的新技术和新方法。采用 bottom-up 化学过程、快淬、速凝等方法制备永磁/软磁各向异性的纳米耦合磁粉或磁体，探索新工艺对磁粉性能的影响。综合各种方法的特点发展出简单实用的生产工艺。优化工艺条件，制备出高性能的硬磁与软磁耦合各向异性磁粉/磁体。以此为基础，研究用有机和无机纳米薄膜包覆对磁粉综合性能的影响，同时开展永磁/软磁的纳米耦合研究，以期制备出更高磁性能的各向异性纳
9、米复合稀土永磁磁粉。最终目标是制备出新型高性能、温度稳定性好的耦合纳米复合磁粉/磁体，为研制更新换代的新型永磁磁体和器件提供新型材料。5、多功能异多功能异质纳质纳米复合材料的基米复合材料的基础问题础问题研究研究化学控制合成具有大联结界面及复合磁光性质的多功能异质复合纳米颗粒，深入理解异质成核生长机理，研究复合粒子的电、磁、光、催化等性质，组元介质间的相互作用、电磁传输，以及异质相互作用对复合粒子整体物理性质的影响，结构与性质的关系等问题。研究交换耦合相互作用等物理现象，研制多功能纳米复合材料如磁光复合材料和高性能磁性材料。6、制制备纳备纳米复合米复合结结构元器件的关构元器件的关键键技技术术采用
10、新型纳米复合磁性材料，通过微观组织结构和制备工艺的优化与控制，解决其取向成型、烧结和磁性能控制等关键制备技术，制备中小型永磁电机用定子和转子等磁性元器件，使其剩磁、矫顽力温度系数和稳定性等磁性能指标达到或超过目前广泛使用的传统永磁器件。研制新一代高性能整体辐向多极永磁环，有效克服目前广泛使用拼接磁环电机磁极波动大、效率较低的缺点，使其磁性性能、极间磁密均匀性和力学性能均高于目前的传统永磁器件，进一步推动永磁电机向高稳定性、高效率和小型化方向发展。 纳米复合软磁材料纳米复合软磁材料关键科学问题：建立并完善新型纳米颗粒、纤维增强以及两者共同增强的软磁复合材料的可控制备技术。研究纳米软磁复合材料的微
11、观结构、力学性能和软磁性能相互关系。阐明材料的尺寸、非晶纳米晶复相结构与巨磁阻抗效应的关系。研究纳米尺度下材料的磁导率、阻抗和损耗等性能参数，与化学成分、晶格结构、磁晶各向异性常数、磁致伸缩系数、晶粒尺寸及粒度分布的关系。阐明非晶软磁合金的结构演化规律、纳米晶的成核、长大与稳定机制，建立微观结构演化与性能之间的相互关系及其理论模型。探索提高软磁复合材料使用性能的途径, 尤其是其在高温条件下结构和磁性能的稳定性、材料的蠕变性能等, 奠定软磁复合材料器件设计和使用的基础。 主要研究内容：1、具有良好的室温和高温力学和、具有良好的室温和高温力学和软软磁性能的新型磁性能的新型纳纳米复合米复合软软磁材料
12、制磁材料制备备建立并完善新型纳米复合软磁材料的制备技术。研究纳米颗粒、纤维增强以及两者共同增强的软磁复合材料。研制成功具有良好的室温和高温力学和软磁性能的新型纳米软磁复合材料，指标为：500 oC 温度下，屈服强度0.2700 MPa; 磁感应强度20 kG；5000Hz 时涡流损耗480 W/kg；蠕变510-6 h/r (550 oC, 600MPa, 5000 小时)；室温电阻率：4060 cm。建立软磁复合材料高温性能测量方法和标准。建立微观结构参数、工艺参数与力学和软磁性能(尤其是高温性能)的相互关系, 探索微观结构对磁畴运动的影响，为高温软磁复合材料组织结构控制、材料设计与制备提供
13、理论依据。研究材料微观组织和性能高温演变规律。建立系统的微观结构参数、磁畴相互作用和性能之间定量或半定量的关系。2、 、Co 基非晶合金基非晶合金纳纳米晶化及其巨磁阻抗效米晶化及其巨磁阻抗效应应研究 Co 基软磁非晶合金经晶化处理形成纳米晶结构后的软磁性能及其巨磁阻抗效应。优化晶化工艺，以使纳米复合材料对微弱外磁场（0-46.5A/m）有特别灵敏的响应（灵敏度达到：2440.2%/Am-1，即尖刺巨磁阻抗效应）。根据巨磁阻抗效应的各向异性模型，通过对系列纳米晶化样品的巨磁阻抗效应曲线的计算机拟合，研究产生尖刺巨磁阻抗效应的普适条件，建立尖刺巨磁阻抗效应特性和退火晶化工艺间定量或半定量的关系。3
14、、 、高高饱饱和磁化和磁化强强度度纳纳米米软软磁合金的制磁合金的制备备与形成机制与形成机制传统纳米软磁合金纳米晶形成机理在于两个原因：（1）在室温下与 Fe 元素几乎不互溶的 Cu 元素起生成纳米晶核的作用; （2）高熔点的 Nb 元素则阻止了纳米晶粒的长大。本项目的新型高饱和磁化强度铁基纳米软磁合金为无 Nb 低 Cu材料，新添加的元素 P 的熔点也不高。因此，该合金无高熔点元素，其纳米结构的形成和晶粒生长机制不同于传统的纳米软磁合金。拟从解析非晶相纳米相（非晶相与纳米相的含量、纳米晶粒的大小等）与成分关系的基础上，研究 FePSiBCu系非晶合金的结构演化规律，阐明纳米晶的成核与长大机制与
15、稳定机制，建立相关理论模型，实现纳米软磁合金的组织结构、晶粒尺寸和磁性能的可控制备。4、 、纳纳米米软软磁复合材料使用性能研究及磁性器件的磁复合材料使用性能研究及磁性器件的设计设计随着高功率、小型化、多功能等功率发生和储能技术的进步, 解决日益增长的电功率发生、自起动能力、高速磁轴承运转和机电元件的冷却问题变得非常严峻。高温磁性材料的研发和使用, 是实现上述软磁材料高端应用的关键。本项目拟在高温高强软磁复合材料研制的基础上, 研究材料在高温、高应力、辐照辐射等条件下的使用性能, 重点探讨材料微观结构和性能的稳定性, 及二者的相互关系。用纳米软磁复合材料设计高速电动机转子和高速运转磁轴承等磁性器
16、件，并解决磁性器件中存在的磁性材料的关键基础性问题。研制微小型的高灵敏度、快速响应、高温度稳定性、低功耗、表面贴片元件电路的 GMI 传感器。利用 GMI 效应的频率特性和交流数字电路研制更高灵敏度和更快响应速度的磁敏传感器。研究 Fe 基非晶态合金的纳米晶化技术，及其宽、厚带材的制备与成型技术，并应用于制造宽、厚非晶纳米晶复合软磁合金带材，进而研制高饱和磁化强度、低功耗的节能减排型变压器铁芯。纳米复合磁性薄膜材料纳米复合磁性薄膜材料关键科学问题：如何制备成功高性能的各向异性取向的纳米复合永磁薄膜材料将是制备新一代的永磁材料的关键。在原子分子层次研究薄膜材料的沉积过程、生长机制、结构特征，力争从一个更高的层次来理解薄膜材料在生长过程中的行为。深入理解在纳米复合永磁和软磁材料中的磁性交换耦合效应。研究影响沉积薄膜质量因素，提供纳米复合永磁和软磁薄膜制备的优化参数组合。实现薄膜可控生长，改善生长环境和观测环境的兼容性。研究薄膜材料尺寸的变化对材料的内禀磁性的影响，理解材料内禀特性在介观尺度的行为。进一步将磁性薄膜材料与铁电、压电等其它功能材料进行纳米
