華南理工大學劉仲武團隊APL：針對釹鐵硼厚磁體的高效選區晶界擴散

【背景介紹】

釹鐵硼稀土永磁被廣泛應用于可再生能源等戰略新興領域中。為滿足高溫環境下的應用要求，通常采用加入重稀土Tb或Dy提高磁體矯頑力。而重稀土豐度低，價格極其昂貴，所以如何提高重稀土的利用效率是目前研究的熱點。晶界擴散技術首先在磁體表面包覆重稀土金屬、化合物或合金等擴散劑，再經擴散熱處理將重稀土元素滲透進入磁體內部。這種工藝著重強化薄弱的晶粒表面，從而達到了重稀土減量化的效果。其發展至今已成為釹鐵硼永磁體工業生產中不可或缺的一環。目前已證實重稀土沿c軸的擴散效率明顯高于沿a軸的，所以工業生產上磁體往往被設計成薄片狀，磁體厚度一般小于4 mm，很少超過8 mm。另外磁體不同部位的抗退磁能力并非完全相同，簡單包覆一層均勻的擴散源，會造成磁體某些部位的過度強化，使得重稀土元素有不必要的浪費。因此，如何以簡單、高效的擴散方法，充分利用重稀土元素，制備出高矯頑力高磁能積的商用釹鐵硼磁體，并突破擴散磁體厚度的限制，是目前業內急需解決的問題之一。

【成果簡介】

華南理工大學劉仲武教授團隊提出了一種針對釹鐵硼厚磁體的高效選區晶界擴散方法。作者團隊利用實驗結合微磁學模擬的手段，闡明了選區擴散的合理性及優越性，為大尺寸釹鐵硼磁體實現高效擴散提供了重要方向。研究表明，通過強化邊角部位，可以大幅度提升厚釹鐵硼磁體的矯頑力，同時使剩磁降低很小。選區擴散相比于c面擴散磁體，矯頑力提升57%，方形度也更好。在提高Tb的利用效率的同時，選區擴散在一定程度上突破了磁體厚度的限制。相關研究成果以“High-efficient selected area grain boundary diffusion for enhancing the coercivity of thick Nd-Fe-B magnets”為題發表在《Applied Physics Letters》。其中華南理工大學博士生何家毅為第一作者，碩士生宋文玥為共同第一作者，劉仲武教授為通訊作者。

【圖文解析】

本工作用到的是尺寸為7 × 7 × 12 mm（12 mm的邊為c軸方向）的厚燒結磁體。沿c軸擴散的樣品將Pr-Tb-Al-Cu合金擴散劑涂敷在磁體的兩個磁極表面（c面擴散），而選區擴散的樣品則將擴散劑涂敷在長方體磁體的12條棱邊上。控制涂敷量和涂敷面積相等。經熱處理后，選區擴散磁體的矯頑力從1070 kA/m提高到1675 kA/m, 矯頑力提升幅度比c面擴散提高了239 kA/m（圖1）。矯頑力提升主要是因為在硬磁晶粒表面形成了富Tb殼層，提高了晶粒的各向異性場（圖2）。微磁學模擬的結果顯示，原始磁體的反磁化疇在長方體模型的八個頂角形核，然后沿著模型的棱邊快速擴展至整個磁體。在同樣多的含Tb強化晶粒的情況下，強化晶粒的分布對磁體矯頑力影響較大。強化模型的邊角處能抑制在較小磁場下的反磁化疇形核，在c面強化的基礎上進一步增加矯頑力，從而提高擴散劑的利用效率（圖3）。

圖1 (a) Pr-Tb-Al-Cu擴散劑在厚度為4 mm、8 mm和12 mm的磁體c面擴散獲得的矯頑力提升效果; (b) 12mm厚的原始磁體、c面擴散、選區擴散和六面擴散磁體（900 ℃/8 h-500 ℃/3 h）的退磁曲線；(c) 各種擴散方法對Tb的利用效率

圖2 選區擴散磁體截面的(a1,a2) 電子探針與(b) 透射電鏡觀察結果

圖3 磁反轉行為的微磁模擬結果： (a) 原始磁體、c面擴散磁體和選區擴散磁體模型的退磁曲線；詳細模型及其磁化反轉過程：(b) 原始磁體、(c) c面擴散、(d) 選區擴散磁體

論文鏈接：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0080935

【團隊簡介】

劉仲武教授領銜的華南理工大學先進金屬與電磁材料研究團隊是華南地區主要的傳統磁性材料研究團隊。現有教授3名、副教授2名、兼職（客座）教授2名，在讀碩博研究生40多名。團隊主要從事稀土永磁材料、軟磁材料與器件、磁致冷材料、磁性吸波材料和電磁設計等方面的應用基礎研究與應用研究，同時開展金屬材料及功能器件的失效分析等方面的社會服務。團隊旨在服務廣東經濟和國家重大需求。近五年承擔國家和省部級研究項目20余項，包括國家重點研發、GF973、國家自然科學基金以及廣東省、廣州市科技計劃等，承擔企業委托項目20多項。在國際、國內著名刊物上發表相關學術論文近200篇，授權專利30余項，并實現了多項科技成果轉化。獲廣東省科技三等獎一項。針對稀土永磁材料，團隊目前致力于開發高性價比的高豐度稀土永磁合金與磁體、熱加工釹鐵硼磁體、晶界調控高性能燒結釹鐵硼磁體。