MnAl基永磁材料的相稳定性与磁性能调控机理研究

The demand for rare-earth permanent magnets israpidly increased,and it leads to the shortage and price rising of rare earth elements. Therefore,it is significant to explore the RE-free permanent magnetic materials which are possible for industrial applications. .The problem of τ-phase stability was previously investigated by doping the MnAl alloy with C and increasing the excess Mn atoms,which causes an unwanted decrease of the magnetiation per formula unit. The τ-phase also decompose or transform into nonmagnetic phases after ball milling or heat treaments. This problem could be addressed by replacing the excess Mn atoms in MnAl alloy(50～52 at%Mn) with 3d,4d elements, therefore reducing the weight of the antiferromagnetic Mn-Mn interaction to the total magnetic moment. The unit cell volume or c/a ratio also canbe tured by doping 3d,4d elements. the c/a ratio is dependence of magnetic moments and total energy of ferromanetic τ-MnAl. Thus, experimentally increase the unit cell volume or c/a ratio is effective in further increaseing the magnetization and stabilize the τ-MnAl phase. .The stabilization and anisotropy of MnAl also can be increased by surfactant assisted ball milling and magnetic heat treatment.This work will mainly investigate experimental results of the content of Mn atoms, the doped elements, the conent of doping and the theoretical calculation will also be used to understand the underlying physics. This alternative approach may be useful for underlying the mechanisms of magnetic properties and future fabrication of the low cost rare earth free MnAl permanent magnets.

随着稀土资源日益减少，以及高性能电机对永磁材料需求的不断上升，及时开发新型高性能、低成本、无稀土永磁材料不但是磁性行业发展的要求，更是我国稀土产业可持续发展的重大课题之一。目前通过添加过量Mn及C元素制备高纯度MnAl永磁合金性能较低，且再加工时磁性相易分解。通过在50～52 at%Mn含量的MnAl基永磁中掺杂3d、4d元素，调控磁性相晶格常数(轴比c/a)和Mn-Mn之间的反铁磁耦合，可制备出高稳定性和高饱和磁化强度的MnAl基永磁，后进行表面活性剂辅助球磨和磁场热处理，可进一步强化磁性相稳定性和磁各向异性。通过实验研究为主并辅以理论计算，研究Mn元素含量、掺杂元素种类、浓度对磁性相稳定性和磁性能的影响。探明掺杂元素和球磨对相稳定性和磁性能增强的调控机理。该研究的实施不仅有助于揭示影响磁性相稳定性和磁性能的物理本质，也将为开发此种新型无稀土永磁材料的配方设计和性能调控技术提供重要依据。

当前大量应用的永磁材料主要包括铁氧体永磁和稀土永磁。铁氧体永磁的总体磁性能低于5.5 MGOe，且性能已达到理论值。稀土永磁性能优异（(BM)max＞20 MGOe），总体磁性能可满足风力发电、新能源汽车等领域的需求。但稀土资源特别是重稀土资源匮乏且价格高昂。同时，铁氧体永磁和稀土永磁之间存在较宽的性能空白区域。因而及时开发出低成本、高性能的无稀土或低（低重）稀土永磁材料不但是磁性行业发展的要求，更是我国稀土产业可持续发展的重大课题之一。实验研究一般采用添加过量的Mn元素和掺杂C元素来稳定磁性相，但此方法在后续加工和热处理中又无法根本克服磁性相的分解，从而导致饱和磁化强度很难提高。. 本项目以Mn含量接近50%合金成分（50～52 at%Mn）的MnAl基永磁材料为基体，主要通过实验并辅以理论计算研究部分3d、4d元素掺杂对材料相稳定性和磁性能的影响。通过在低Mn含量的MnAl基永磁合金中掺杂Zr、Sn、Si、Fe、Ga、W、C等单元素和双元素联合掺杂，研究了单原子掺杂时元素种类、掺杂元素尺寸、掺杂浓度对材料点阵参数、相结构、磁性能的影响，研究了不同热处理温度、压强气氛和冷却方式等热处理工艺对MnAl基合金相结构和磁性能的影响。在不同压强热处理Mn50Al49Zr时，随着压强的增加，其矫顽力逐渐增强，当压强为1.4×102 Pa时，矫顽力达到4.45 kOe。而单元素W掺杂的MnAl合金中室温下得到的最高矫顽力为5.99 kOe。. 通过降低Mn的含量，减少Mn-Mn之间的反铁磁耦合作用，提高了合金的饱和磁化强度。在铸锭Mn50Al48Zr2中获得饱和磁化强度达97.47 emu/g。并采用表面活性剂辅助球磨获得了形貌可控的片状MnAl各向异性纳米粉末，大幅提高了材料的矫顽力。并将获得的片状粉末表面包裹一层纳米Fe粉，制备出具有明显剩磁增强的纳米复合各向异性粉末。.