中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，題為“Different behaviors of binary rare earth-Al alloys for grain boundary diffusion of La and Ce-containing multi-main-phase magnets”的論文在線(xiàn)發(fā)表于國際知名期刊《Materials Today Chemistry》。論文由華南理工大學(xué)、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、中科三環(huán)完成，通訊作者為華南理工大學(xué)劉仲武教授和深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的Jiayi He。論文指出，通過(guò)使用稀土鋁合金作為擴散源，可以有效增強含鑭（La）和鈰（Ce）的多主相釹鐵硼（Nd-Fe-B）永磁體的矯頑力，且隨著(zhù)La和Ce含量的增加，Pr-Al擴散的效果顯著(zhù)優(yōu)于Dy-Al和Tb-Al擴散。
近年來(lái)，研究者們致力于通過(guò)引入高豐度的L）和Ce來(lái)替代部分Nd和Pr，以降低成本。然而，La和Ce的引入會(huì )導致磁性能下降，尤其是矯頑力的顯著(zhù)降低。為了克服這一問(wèn)題，多主相（MMP）永磁體應運而生，通過(guò)將Nd富集相和La/Ce富集相混合，形成非均勻微觀(guān)結構，從而提高矯頑力。盡管如此，高Ce含量的MMP永磁體的磁性能仍與傳統Nd2Fe14B永磁體存在顯著(zhù)差距。晶界擴散是一種通過(guò)在晶界處引入稀土元素來(lái)增強永磁體矯頑力的有效方法。本研究聚焦于通過(guò)晶界擴散（GBD）技術(shù)優(yōu)化含La和Ce的MMP永磁體的磁性能。然而，對于高Ce含量的MMP永磁體，晶界擴散的效果尚不明確。研究團隊創(chuàng )新性地使用了二元稀土鋁合金（Pr-Al、Dy-Al和Tb-Al）作為擴散源，探索其在不同La和Ce含量的MMP永磁體中的擴散行為和磁性能優(yōu)化機制。
實(shí)驗中，研究團隊首先通過(guò)雙合金法制備了不同La和Ce含量的MMP永磁體。將（PrNd）17.09（LaCe）12.90M（1~1.5）FebalB和（PrNd）29.70M（1~1.5）FebalB粉末按不同質(zhì)量比混合，并制備成塊體永磁體。燒結溫度為1313 K，持續時(shí)間為2小時(shí)。隨后，將燒結后的永磁體切割成直徑9 mm、高度4 mm的圓柱形樣品，用于后續的晶界擴散處理。
擴散源采用Pr0.8Al0.2、Dy0.8Al0.2和Tb0.8Al0.2合金薄帶，通過(guò)電弧熔煉和熔體甩帶工藝制備，甩帶輪速為12 m/s。將合金薄帶粉碎成粒徑小于300微米的粉末，與乙醇和聚乙烯醇混合后覆蓋在永磁體表面。晶界擴散處理在真空管式爐中進(jìn)行，氣氛為氬氣。Pr-Al合金的擴散溫度為1073 K，持續6小時(shí)，隨后在773 K下保持3小時(shí)；而Dy-Al和Tb-Al合金的擴散溫度為1173 K，持續6小時(shí)，隨后在773 K下保持3小時(shí)。
實(shí)驗結果顯示，隨著(zhù)La和Ce含量的增加，Pr-Al擴散對永磁體矯頑力的增強效果顯著(zhù)提高，而Dy-Al和Tb-Al擴散的效果則逐漸降低。對于低La和Ce含量的永磁體，Tb-Al和Dy-Al擴散后的矯頑力高于Pr-Al擴散，但在高La和Ce含量的永磁體中，Pr-Al擴散后的矯頑力最高。例如，在LaCe-39永磁體中，Pr-Al擴散后的矯頑力為676 kA/m，遠高于Dy-Al擴散后的300 kA/m和Tb-Al擴散后的554 kA/m。此外，Pr-Al擴散后的永磁體還表現出更高的Jr，表明其在磁性能上的全面優(yōu)化。
通過(guò)EPMA和TEM觀(guān)察發(fā)現，Pr-Al擴散后，Pr元素在晶界中分布更加均勻且連續，形成高各向異性（HA）的Pr富集殼層，顯著(zhù)增強了磁隔離效果。隨著(zhù)La和Ce含量的增加，晶界相的連續性增強，促進(jìn)了Pr的擴散深度。相反，Dy-Al和Tb-Al擴散時(shí)，由于Dy-Fe和Tb-Fe化合物的高熔點(diǎn)，限制了Dy和Tb的擴散深度，并且在晶界處形成了不利于擴散的高熔點(diǎn)相。此外，Dy-Al和Tb-Al擴散還導致了晶界處的稀土富集相與主相之間的成分均勻化，破壞了MMP永磁體原有的非均勻結構，從而降低了矯頑力。
微磁學(xué)模擬結果進(jìn)一步驗證了實(shí)驗觀(guān)察到的現象。模擬表明，擴散深度是影響高La和Ce含量MMP永磁體矯頑力的關(guān)鍵因素。隨著(zhù)La和Ce含量的增加，晶界相的連續性增強，促進(jìn)了Pr的擴散，而Dy和Tb的擴散則受到限制。這些發(fā)現為開(kāi)發(fā)適用于高La和Ce含量MMP永磁體的稀土合金擴散源提供了重要的理論和實(shí)驗依據。
綜上，本研究深入探討了二元稀土鋁合金在含La和Ce的多主相永磁體中的晶界擴散行為及其對磁性能的影響。結果表明，Pr-Al合金擴散源在高La和Ce含量的MMP永磁體中表現出優(yōu)異的擴散效果，顯著(zhù)提高了矯頑力和剩余磁感應強度。研究揭示了Pr-Al擴散的機制，即Pr元素在晶界中的均勻分布和高各向異性殼層的形成，以及隨著(zhù)La和Ce含量增加，晶界相連續性增強對擴散深度的促進(jìn)作用。相比之下，Dy-Al和Tb-Al擴散由于高熔點(diǎn)化合物的形成和成分均勻化，導致擴散效果受限。本研究不僅為優(yōu)化MMP永磁體的磁性能提供了新的思路，還為開(kāi)發(fā)低成本、高性能的稀土永磁材料奠定了理論基礎。
