华南理工大学刘仲武团队APL：针对钕铁硼厚磁体的高效选区晶界扩散

【背景介绍】

钕铁硼稀土永磁被广泛应用于可再生能源等战略新兴领域中。为满足高温环境下的应用要求，通常采用加入重稀土Tb或Dy提高磁体矫顽力。而重稀土丰度低，价格极其昂贵，所以如何提高重稀土的利用效率是目前研究的热点。晶界扩散技术首先在磁体表面包覆重稀土金属、化合物或合金等扩散剂，再经扩散热处理将重稀土元素渗透进入磁体内部。这种工艺着重强化薄弱的晶粒表面，从而达到了重稀土减量化的效果。其发展至今已成为钕铁硼永磁体工业生产中不可或缺的一环。目前已证实重稀土沿c轴的扩散效率明显高于沿a轴的，所以工业生产上磁体往往被设计成薄片状，磁体厚度一般小于4 mm，很少超过8 mm。另外磁体不同部位的抗退磁能力并非完全相同，简单包覆一层均匀的扩散源，会造成磁体某些部位的过度强化，使得重稀土元素有不必要的浪费。因此，如何以简单、高效的扩散方法，充分利用重稀土元素，制备出高矫顽力高磁能积的商用钕铁硼磁体，并突破扩散磁体厚度的限制，是目前业内急需解决的问题之一。

【成果简介】

华南理工大学刘仲武教授团队提出了一种针对钕铁硼厚磁体的高效选区晶界扩散方法。作者团队利用实验结合微磁学模拟的手段，阐明了选区扩散的合理性及优越性，为大尺寸钕铁硼磁体实现高效扩散提供了重要方向。研究表明，通过强化边角部位，可以大幅度提升厚钕铁硼磁体的矫顽力，同时使剩磁降低很小。选区扩散相比于c面扩散磁体，矫顽力提升57%，方形度也更好。在提高Tb的利用效率的同时，选区扩散在一定程度上突破了磁体厚度的限制。相关研究成果以“High-efficient selected area grain boundary diffusion for enhancing the coercivity of thick Nd-Fe-B magnets”为题发表在《Applied Physics Letters》。其中华南理工大学博士生何家毅为第一作者，硕士生宋文玥为共同第一作者，刘仲武教授为通讯作者。

【图文解析】

本工作用到的是尺寸为7 × 7 × 12 mm（12 mm的边为c轴方向）的厚烧结磁体。沿c轴扩散的样品将Pr-Tb-Al-Cu合金扩散剂涂敷在磁体的两个磁极表面（c面扩散），而选区扩散的样品则将扩散剂涂敷在长方体磁体的12条棱边上。控制涂敷量和涂敷面积相等。经热处理后，选区扩散磁体的矫顽力从1070 kA/m提高到1675 kA/m, 矫顽力提升幅度比c面扩散提高了239 kA/m（图1）。矫顽力提升主要是因为在硬磁晶粒表面形成了富Tb壳层，提高了晶粒的各向异性场（图2）。微磁学模拟的结果显示，原始磁体的反磁化畴在长方体模型的八个顶角形核，然后沿着模型的棱边快速扩展至整个磁体。在同样多的含Tb强化晶粒的情况下，强化晶粒的分布对磁体矫顽力影响较大。强化模型的边角处能抑制在较小磁场下的反磁化畴形核，在c面强化的基础上进一步增加矫顽力，从而提高扩散剂的利用效率（图3）。

图1 (a) Pr-Tb-Al-Cu扩散剂在厚度为4 mm、8 mm和12 mm的磁体c面扩散获得的矫顽力提升效果; (b) 12mm厚的原始磁体、c面扩散、选区扩散和六面扩散磁体（900 ℃/8 h-500 ℃/3 h）的退磁曲线；(c) 各种扩散方法对Tb的利用效率

图2 选区扩散磁体截面的(a1,a2) 电子探针与(b) 透射电镜观察结果

图3 磁反转行为的微磁模拟结果： (a) 原始磁体、c面扩散磁体和选区扩散磁体模型的退磁曲线；详细模型及其磁化反转过程：(b) 原始磁体、(c) c面扩散、(d) 选区扩散磁体

论文链接：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0080935

【团队简介】

刘仲武教授领衔的华南理工大学先进金属与电磁材料研究团队是华南地区主要的传统磁性材料研究团队。现有教授3名、副教授2名、兼职（客座）教授2名，在读硕博研究生40多名。团队主要从事稀土永磁材料、软磁材料与器件、磁致冷材料、磁性吸波材料和电磁设计等方面的应用基础研究与应用研究，同时开展金属材料及功能器件的失效分析等方面的社会服务。团队旨在服务广东经济和国家重大需求。近五年承担国家和省部级研究项目20余项，包括国家重点研发、GF973、国家自然科学基金以及广东省、广州市科技计划等，承担企业委托项目20多项。在国际、国内著名刊物上发表相关学术论文近200篇，授权专利30余项，并实现了多项科技成果转化。获广东省科技三等奖一项。针对稀土永磁材料，团队目前致力于开发高性价比的高丰度稀土永磁合金与磁体、热加工钕铁硼磁体、晶界调控高性能烧结钕铁硼磁体。