化學(xué)法制備稀土永磁納米材料研究現(xiàn)狀

張錦山+鄭潔+董季玲+丁皓

摘 要：稀土納米材料是一種具有優(yōu)異的磁性能、良好熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和力學(xué)性能等優(yōu)點的新型永磁材料，目前這種新型永磁材料廣泛應(yīng)用于電、光、磁等領(lǐng)域，成為了材料科學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點。文章主要介紹了近幾年稀土納米材料化學(xué)制備方法及其相關(guān)的研究進展，分析對比了制備稀土永磁納米材料不同化學(xué)方法的優(yōu)缺點，并對其發(fā)展前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：化學(xué)法；永磁材料；磁學(xué)性能

中圖分類號：TF125.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0036-02

1 概述

稀土永磁材料指的是稀土金屬和過渡族金屬形成的合金經(jīng)一定的工藝制成的永磁材料。隨著現(xiàn)代化科技的發(fā)展，磁性材料的應(yīng)用日益廣泛化。21世紀以來，器件小型化和集成化呈現(xiàn)出了快速發(fā)展的趨勢，這就對當前磁性材料提出了更高磁能積、綜合性能優(yōu)良、輕便、低體積密度以及更高工作溫度的要求[1]。

目前常用的稀土永磁納米材料的制備方法分為物理法和化學(xué)法。物理法主要包括快淬法、粉末冶金法、雙合金法、機械合金化法、HDDR法等，化學(xué)制備方法有還原擴散法、表面活性劑輔助球磨法、溶膠-凝膠法等。采用物理方法制備的相似之處需要制備出粉體后對粉體采用熱壓成形的得到永磁體。值得注意的是，對NdFeB來說，物理法制備出的永磁體雖然具有高的矯頑力和磁晶各向異性，但其居里溫度和飽和磁化強度卻很低，溫度和化學(xué)穩(wěn)定性也無法達到預(yù)期要求。采用化學(xué)法制備的稀土永磁體中稀土含量比物理法中含量低，得到的稀土永磁體也有較好的磁性能。

2 化學(xué)法制備NdFeB稀土永磁材料

2.1 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是有機絡(luò)合物在低溫下通過聚合反應(yīng)形成溶膠，經(jīng)干燥熱處理，得到比表面積大、分散好的納米粒子[2]。目前，該法已經(jīng)成為制備稀土納米粒子的常用方法，是制備具有良好形貌Nd-Fe-B納米磁體的簡便方法之一[3]。

Deheri等[4]采用檸檬酸、乙二醇作為偶聯(lián)劑與反應(yīng)溶劑，以NdCl3，F(xiàn)eCl3和H3BO3為原料，成功制備了Nd2Fe14B納米顆粒。溶膠-凝膠法在較低實驗溫度下制備NdFeB避免了傳統(tǒng)固相合成法需要在高溫下操作的弊端。同時，此法合成的納米粒子粒度小、成分精確、粒度分布窄，制得的稀土永磁體中稀土含量低，最終得到的稀土永磁體有著較高的磁性能。但此法在凝膠干燥過程中，因溶劑的揮發(fā)速度較快很容易致使材料的內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力，從而降低材料的力學(xué)性能。

2.2 共沉淀還原擴散法

共沉淀還原擴散法制備NdFeB永磁體是將合金元素按一定比例在水溶液進行共沉淀，再使共沉淀轉(zhuǎn)化成合金元素和氫還原產(chǎn)物，然后用鈣還原擴散法制備NdFeB永磁體[5]。該法工藝簡單，成本低，所得到的磁粉具有良好的磁性能，成為材料學(xué)界備受關(guān)注的焦點。

3 化學(xué)法制備SmCo稀土永磁材料

3.1 機械化學(xué)法

機械化學(xué)法是近幾年發(fā)展起來的一種新方法，通過高能球磨的作用使不同元素或其化合物相互作用，形成超細粉體。其基本過程是將粉末混合料與研磨介質(zhì)一起裝入高能球磨機進行機械研磨，經(jīng)過反復(fù)形變、破裂和冷焊，以達到破裂和冷焊的平衡，最終形成表面粗糙、內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細的超細粉末[6]。

Zheng等人通過對Sm2O3、Co、Ca和CaO混合物進行高能球磨，低溫退火制備出了高性能的SmCo5納米磁粉[7]。采用機械化學(xué)法可以減小試樣的顆粒度，增大比表面積，使得后續(xù)的熱處理過程焙燒溫度大幅度降低。經(jīng)機械化學(xué)處理后的各組分原料顆粒均勻化程度提高，從而使制備成的產(chǎn)品有更好的性能。但該方法仍存在著一些缺陷，如在球磨過程中存在“冷焊”現(xiàn)象使粒子的尺寸難以降低，高能機械球磨過程中，磨球與磨球、粉末與磨球之間會產(chǎn)生強烈地碰撞，使粉末發(fā)生強烈塑性變形并產(chǎn)生大量新鮮表面，這些粉末同磨球可產(chǎn)生分子引力而結(jié)合在一起，從而使粉末冷焊于磨球表面的涂層[8]。

3.2 鈣熱還原法

鈣熱還原法是將Sm2O3和CoO的混合物與Ca混合，經(jīng)高溫還原退火得到SmCo5與CaO的混合物，除去多余的Ca和CaO，最終得到SmCo5納米粒子。采用液相合成和鈣熱還原法相結(jié)合制備SmCo5粒子取得了較大進展，該方法獲得的納米粒子晶粒小、矯頑力高。然而，鈣熱還原反應(yīng)進行所需的高溫條件（900℃）易導(dǎo)致SmCo5粒子的燒結(jié)、團聚，使單疇納米粒子的獲得較困難，因此仍存在一定的改進空間[9]。

4 化學(xué)法制備其他稀土永磁材料

4.1 表面活性劑輔助球磨法

表面活性劑輔助球磨法也是一種經(jīng)常采用的永磁納米材料合成方法，廣泛應(yīng)用于永磁合金的制備。表面活性劑油胺、油酸、辛酸等的使用能有效地避免磁體顆粒在球磨過程中發(fā)生相互碰撞導(dǎo)致出現(xiàn)重聚現(xiàn)象，從而得到分散性良好的磁性納米粒子。Akdogan[10]等利用該法制備了NdCo5納米片及納米顆粒，并研究了其磁學(xué)性能，特別是磁轉(zhuǎn)變性質(zhì)，兩者都表現(xiàn)出了低溫下高矯頑力的特點。表面活性劑輔助球磨法有希望被用來制備各向異性的納米復(fù)合磁體和高性能硬磁-軟磁交換耦合磁體。

4.2 共沉淀還原擴散法共沉淀還原擴散法作為化學(xué)混料法中的一種，是制備材料的濕化學(xué)方法中工藝簡單、成本低、所得粉體性能良好的一種新方法，其基本原理是用還原劑還原稀土氧化物得到稀土金屬，再通過稀土金屬與過渡族金屬互擴散直接得到稀土金屬間化合物Sm2Fe17，Sm2Fe17化合物滲氮后得Sm2Fe17Nx永磁粉末[11]。該法制備的稀土永磁材料最大優(yōu)點是成本低、所需設(shè)備簡單，其應(yīng)用前景良好。

5 結(jié)束語

采用化學(xué)法制備稀土永磁納米材料相比于物理法有著更加獨特的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)對材料成分、粒度、界面等控制。但是化學(xué)合成磁性納米材料仍然存在著諸如缺陷、雜質(zhì)和產(chǎn)品形貌控制較難等很多的不足之處，還需進一步深入研究。此外，由于得到的大部分納米磁性材料中都含有貴重金屬元素這就導(dǎo)致了其生產(chǎn)成本較高，未來納米磁性材料的發(fā)展需要盡可能的減少貴重金屬的使用量，降低成本，拓寬稀土納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻：

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