新型MnBi/α-Fe双相复合纳米晶永磁体的微结构及磁硬化机理研究

The purpose of the project is to study novel composite MnBi/α-Fe nanocrystalline sintered magnet without rare earth. The key questions of the project are how to obtain anisotropic dense nanocrystalline bulk magnet and control microstructure. We will use surfactant-assisted ball milling, sonochemical coating and Spark Plasma Sintering to prepare anisotropic MnBi/α-Fe nanocrystalline magnet, and study the effect of the composition and microstructure on the magnetic parameter. On the basis of micromagnetism theory, we will use finite element method to build theoretic model consistent with the microstructure of the novel magnet. We will investigate interface exchange-coupling effect between hard and soft grains, and magnetic hardening magnetism during magnetic reversal process. The project will finally build a relation model between microstructure and magnetic properties of MnBi/α-Fe nanocrystalline magnet, which will supply a scientific study direction on novel composite nanocrystalline magnets with low cost.

本项目以新型非稀土MnBi/α-Fe双相复合纳米晶永磁体为研究对象。针对各向异性MnBi/α-Fe双相复合纳米晶磁体的全致密块体化、磁各向异性化、微结构可控化等关键问题，采用"自下而上"的途径，综合采用表面活性剂辅助球磨、超声化学合成、放电等离子烧结等新技术制备成分及微结构可控的全致密各向异性双相复合纳米晶磁体，深入研究磁体的成分、微结构特征对其内禀、外禀磁参量的影响。在此基础上，以微磁学为理论基础，采用有限元法建立与新型磁体的微结构相一致的理论模型，用于考查磁体内部硬磁、软磁两相晶粒间的界面交换耦合作用，并探明磁体在反磁化过程中形成磁硬化的详细机制。最终建立MnBi/α-Fe各向异性双相复合纳米晶磁体的微结构与其磁性能之间的构效关系模型，为研制低成本的新型双相复合纳米晶磁体提供科学指导。

为节约宝贵的稀土资源，本项目以非稀土的MnBi系永磁体为研究对象。首先，对MnBi/α-Fe系双相复合纳米晶磁体进行了微磁学模拟计算。结合实验中制备工艺和可能形成的微结构特征，建立了不同软磁相（Fe、Co、FeCo）和硬磁相晶粒在磁体中随机分布的仿真模型。计算表明，各向同性和各向异性MnBi/α-Fe双相复合纳米晶磁体的最大磁能积分别为10和25 MGOe。该结果对指导实验工作具有重要价值。在理论计算基础上，采用“自下而上”的方法研制了全致密各向异性MnBi/α-Fe系双相复合纳米晶磁体。随着软磁相α-Fe含量的增加，磁体的饱和磁化强度单调增加，而矫顽力则单调降低，磁体的剩磁呈现先增加后降低的规律。如果进一步强化软磁、硬磁两相之间的交换耦合作用，有望通过双相复合的方法提升磁体的综合磁性能。.其次，研究了不同配比的MnBi/NdFeB和MnBi/SmFeN复合粘结磁体的磁性能，发现复合磁体具有比纯单相磁体更好的高温磁性能，拓宽了永磁体的使用范围。最后，研究了掺杂第三元素对MnBi合金磁性能的影响。在MnBi合金中分别掺杂了Fe、Co元素，经过长时间退火后，发现Fe、Co掺杂能明显提高合金的各向异性场，合金的矫顽力明显提高。.项目研制的MnBi系永磁体能够节约稀土资源，降低成本，拓宽磁体使用范围，具有重要的经济价值和社会价值。