分析測試論文hxq

1、納米雙相復(fù)合釹鐵硼永磁材料磁性能的分析技術(shù)摘要:可以通過采用熔體快淬和晶化熱處理方法制備納米晶雙相復(fù)合釹鐵硼永磁材料。然后利用XRD、TEM、VSM以及多功能磁測量儀等手段研究制備工藝參數(shù)、成分變化對其微觀結(jié)構(gòu)和磁性能的影響規(guī)律。本文主要講述的是如何利用這些測試方法研究材料的磁性能。關(guān)鍵詞：釹鐵硼永磁材料、XRD、TEM、VSMThe testing methods of two-phase nanocrystalline Nd-Fe-B permanent magnetsHuang xiaoqian(School of Material Science and Engineering, Sh

2、anghai University, Shanghai 200072, China)Abstract：Two-phase nanocrystalline Nd-Fe-B permanent magnets can be prepared by melt-spun and subsequent heat-treatment. We can get the optimum process parameters and composition of the Nd-Fe-B type alloys by studying their microstructure and magnetic proper

3、ties via the methods of XRD, TEM, VSM and magnetic properties analysis. This paper is mainly about how to use these testing methods to study the magnetic properties of materials. Key words: Nd-Fe-B permanent magnets, XRD, TEM, VSM1. 前言：1.1 簡介：磁性材料包括硬磁材料、軟磁材料、半硬磁材料、磁致伸縮材料、磁性薄膜、磁性微粉等。在磁學(xué)理論的指導(dǎo)下，各種磁性材料被

4、不斷的研制出來。磁性材料的發(fā)展與運用主要歸納為一下幾個階段：50年代前為金屬磁體，50-80年代為鐵氧體，90年代以來，除傳統(tǒng)的永磁、軟磁等材料有了顯著發(fā)展外，新的磁性功能材料如巨磁電阻、巨磁致伸縮等也為未來磁性材料的發(fā)展開拓了新領(lǐng)域。Nd-Fe-B合金被稱為第三代永磁材料，而永磁材料的應(yīng)用主要是利用它在氣隙中產(chǎn)生的磁場強度Hg，而Hg的大小與永磁材料的最大磁能積（BH）max的平方根成正比1。磁性材料的表征有以下幾個參量：非結(jié)構(gòu)敏感磁參量，如飽和磁化強度Ms、居里溫度Tc等，結(jié)構(gòu)敏感磁參量，如剩磁Br、矯頑力Hc、最大磁能積（BH）max等2。在這里，研究材料磁性能的手段主要是VSM。而材料

5、的磁性能又和其微觀結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系著，研究材料微觀結(jié)構(gòu)的手段有XRD、SEM、TEM。1.2 測試目的：Nb-Fe-B納米晶復(fù)合永磁材料具有寬廣的使用前景，其磁參量理論值高但實驗值低。而交換耦合的關(guān)鍵因素是晶粒尺寸的大小，而通過改善晶粒大小以及形成均勻晶粒尺寸可以進一步得到高性能的納米晶復(fù)合永磁材料。就目前的研究方法來說，主要集中在兩個方面：一個是對制備工藝的改善；一個是添加合金元素。本文主要通過添加Co、Zr元素，并調(diào)節(jié)成分，研究摻雜對Nb-Fe-B材料磁性能的影響，并利用先進的檢測手段，進行分析探討。1.3 樣品制備：首先計算合金成分，然后配料，接著在真空電弧爐多次進行熔煉。最后，利用甩帶機（

6、即熔體快淬法：在真空快淬爐中，將母合金熔液細流直接噴射到一個旋轉(zhuǎn)冷卻輥上而制成快淬薄帶，然后將快淬薄帶在真空條件下進行晶化處理）制得薄帶。圖1 單錕熔體快淬法示意圖2. 測試方法2.1 X射線衍射分析（XRD）：每種特定的結(jié)晶物質(zhì)都具有特定的晶體結(jié)構(gòu)，包括晶體的結(jié)構(gòu)類型、晶胞大小和形狀、晶胞中各個原子的品種、數(shù)目和位置。在一定波長的X射線作用下，每種結(jié)晶物質(zhì)都可以給出自己所特有的衍射花樣，不同的結(jié)晶物質(zhì)衍射花樣也會不同，即衍射花樣與晶體結(jié)構(gòu)是一一對應(yīng)的，若該物質(zhì)由多種相構(gòu)成，那么這個物質(zhì)的衍射花樣也是由這幾種相的衍射花樣機械疊加而成的3。 根據(jù)Bragg定律，X射線波長、晶面族的面間距d及晶面

7、問的夾角間有如下關(guān)系：2dsin=n （1）入射的X射線被一簇晶面(h、k、l)發(fā)生相位干涉，就會出現(xiàn)一個衍射峰。不同的晶體結(jié)構(gòu)有著不同的衍射花樣，材料的微結(jié)構(gòu)和相成分的微弱不同都會影響衍射峰的強度。x射線衍射峰強度可以表示為：I = PFhkl2（1+cos22）/（sin2cos2）e-2DA （2）其中Fhkl = ficos2（hxi + hyi + hzi）式中P是常數(shù)，e-2D是使原子熱振動引起的與溫度有關(guān)的因子，A為吸收因數(shù)，對于不同的空間群有不同的消光條件，不同晶面(h、k、l)有不同的X射線反射能力，一定的空間群對應(yīng)一定的衍射譜，據(jù)此可以確定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。晶粒尺寸的變化也會

8、導(dǎo)致衍射峰的變化，晶粒尺寸變小和畸變的晶格都會導(dǎo)致衍射峰的變寬，根據(jù)謝樂公式(Scherrer)：Dhkl = （3）式中hkl為衍射峰的半高寬的寬化度，Dhkl為晶粒尺寸，為衍射峰的布拉格角，為入射X射線的波長。圖2 典型衍射線條強度半頂峰寬度的寬化示意圖從實驗中測出的衍射線的半高寬(B1)，包括了工具寬度(Bo)和本質(zhì)寬度(hkl)。根據(jù)實測寬度B1求出本質(zhì)寬度的方法有幾種，但首先必須知道Bo。Bo采用完全相同實驗條件下，晶粒尺寸較大(大于10-7m)的同一條衍射線條的半高寬。則半高寬的寬化度hkl可以表示為： hkl= B1-B0 （4）或者， hkl= （5） hkl=（B1-B0）

9、（6）2.2 透射電鏡：透射電鏡(TEM)的工作原理是利用一束高聚焦的單色電子柬轟擊處于真空中的薄固體樣品，電子束的能量很高足以穿透樣品，利用一系列的電磁透鏡將透射電子的信號放大，這樣可以在樣品下方形成各種衍射花樣。通過分析這些衍射花樣，可以得到有關(guān)樣品的結(jié)構(gòu)和缺陷的多種信息4。本實驗制備TEM樣品的方法如下：首先，將經(jīng)過晶化處理后的快淬薄帶研磨，過120目的篩子。碾磨后的微顆粒與鋁粉按體積比3：7混合均勻，取0608g左右，模壓成厚約lmm的片狀塊體，在軋機上反復(fù)軋制成薄片，沖成3mm的小圓片，最后，將該圓片在細砂紙上磨至40m左右厚，利用Ar離子濺射減薄機進行減薄，當該圓片中心部位出現(xiàn)一個

10、透光小孔時，將其放入TEM實驗倉進行觀察。2.3 振動樣品磁強計（VSM）:2.3.1 測試目的：振動樣品磁強計主要用于各種磁性材料（如磁性粉末、超導(dǎo)材料、磁性薄膜、各向異性材料等）的測量?？赏瓿纱艤鼐€、起始磁化曲線、退磁曲線及溫度特性曲線、IRM和DCD曲線的測量。2.3.2 測量原理：如圖3VSM實物圖所示，振動樣品磁強計(VSM)的主體部件是由直流線繞磁鐵、振動器和感應(yīng)線圈組成。裝在振動桿上的樣品位于磁極中央感應(yīng)圈中心連線處，在感應(yīng)線圈的范圍內(nèi)垂直磁場方向振動。VSM利用了法拉第電磁感應(yīng)原理，是使樣品和探測線圈做相對運動來獲取信號，從而達到測量的目的。VSM實際是一個磁感應(yīng)強度的計量裝

11、置，線圈置于特定空間(電磁鐵兩極頭之間的空隙)中。當樣品在或者不在此空間內(nèi)(樣品往復(fù)振動)而產(chǎn)生磁通變化時，感應(yīng)線圈就會感應(yīng)出一個交流電壓信號，該信號被放大后進行記錄和顯示，就可以得到有關(guān)樣品性能的各種信息5。圖3：振動樣品磁強計VSM測量的是線圈中有樣品和無樣品時的磁感應(yīng)強度。當探測線圈中沒有樣品時，線圈中的磁感應(yīng)強度為： B0 = 0H （7） 當探測線圈已有樣品移入時，磁感應(yīng)強度為Bm = 0H+0M （8） 其兩者之差 B = 0M （9） 也就是說，VSM測量的樣品振動引起的磁通量的變化，由法拉第電磁感應(yīng)定律，在探測線圈中引起一個電動勢為 = N d/dt = - NA dB/dt

12、（10） dt = - NA0M （11） 式中，N是線圈匝數(shù)，A是樣品橫截面，為電動勢，t為時間。所以振動樣品磁強計探測線圈輸出頻率一定（決定于樣品的振動頻率）的交流信號，它與磁場H無關(guān)，只決定樣品的磁化強度M。2.3.3 注意事項 在測量時，H為外磁場，也就是說，只有在可以忽略樣品的“退磁場”情況下，利用VSM測得的回線，方能代表材料的特征，否則，必須對磁場進行修正后所得到的回線形狀，才能表示磁力的真實特征。所謂“退磁場”，即當樣品杯磁化后，其M將在樣品兩端產(chǎn)生“磁荷”，此“磁荷對”將產(chǎn)生于磁化場方向相反的磁場，從而減弱了外加磁化場H的磁化作用，故稱為退磁場?？蓪Υ艌霰硎緸椤巴舜乓蜃印保?/p>

13、其取決于樣品的形狀67。3 數(shù)據(jù)分析3.1 B含量對該合金系材料結(jié)構(gòu)及磁性能的影響圖4是B含量為X=6.2，X=6.5和X=7時，Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx快淬薄帶的X射線衍射圖，從圖中可以看出，隨著B含量的不斷增加，X射線衍射圖譜中的晶化峰不斷減少。比較B含量為X=62和X=7，可以發(fā)現(xiàn)，X=62的快淬薄帶衍射圖譜中有少量的晶化峰出現(xiàn)，而在X=7時，基本上呈現(xiàn)漫散包。這表明B含量的增加，增強了非晶態(tài)的穩(wěn)定性，抑制了晶態(tài)相的出現(xiàn)。圖4 Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx （22ms-1）快淬薄帶X射線衍射圖譜 圖5是不同B含量Nd10.1Fe（82.

14、2-x）Co5Zr2.7Bx的快淬薄帶（16ms-1）經(jīng)710/4min晶化后測得的VSM變化曲線。從圖中可以看出，隨著B含量的增加，1到3曲線的矩形度及剩磁不斷的增加，當達到4時，開始下降。這表明，B的適量增加，有利于改善Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx的矩形度及剩磁。圖6是用VSM對不同B含量快淬帶（16ms-1）經(jīng)710/4min晶化后測得的Mr/Ms變化曲線，從中可以看出，隨著B含量的增加，其剩磁比Mr/Ms先增加后減少，并在B含量為X=6.7時達到最大值，為0.758.。圖5 不同B含量Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx快淬薄帶（16ms-1）經(jīng)

15、710/4min晶化后的VSM變化曲線圖6 不同B含量Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx快淬薄帶晶化后Mr/Ms變化曲線 圖7（a）（b）分別是B含量為X=6.2和X=6.7的快淬薄帶晶化處理后的透射電鏡照片。從圖中可以看出，隨著B含量的增加，樣品的晶粒尺寸變得細小而且更加均勻。圖7 （a）Nd10.1Fe76Vo5Zr2.7B6.2和（b）Nd10.1Fe75.5Co5Zr2.7B6.7快淬薄帶（16ms-1）經(jīng)720/4min晶化處理后TEM照片圖8 Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx（X=6.2,6.5,6.7,7）粘結(jié)磁體在不同快淬速度下的剩磁變化曲

16、線圖8是不同B含量Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx的粘結(jié)磁體在不同淬速下的剩磁Br變化曲線。從圖中可以看到，隨著快淬速度由14ms-1增大到20ms-1，Br先是增大然后減少，均在16ms-1出現(xiàn)最大值。圖9 Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx粘結(jié)磁體在不同快淬速度下最大磁能積變化曲線圖9是不同B含量Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx粘結(jié)磁體在不同快淬速度下的最大磁能積變化曲線。從圖中可以看到，隨著B含量的增加，粘結(jié)磁體的最大磁能積亦先增大后減少，在X=6.7，淬速為16ms-1時出現(xiàn)最大值。4結(jié)論在研究材料的磁性能時，常常采用XRD、T

17、EM、VSM等手段對其微觀結(jié)構(gòu)和各項磁性能進行分析。通過XRD可以對材料進行定性分析和定量分析，而TEM可以觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)，而VSM可完成磁滯回線、起始磁化曲線、退磁曲線及溫度特性曲線、IRM和DCD曲線等的測定。該實驗中，通過運用這些手段我們可以知道，B含量的增加，有利于提高快淬薄帶的非晶穩(wěn)定；適當?shù)腂含量，可以細化、均勻晶粒結(jié)構(gòu)，增強晶粒間交換耦合作用，從而提高粘結(jié)磁體的剩磁即最大磁能積。5. 參考文獻1 戴道生，錢昆明著，鐵磁學(xué)，北京，科學(xué)出版社，p.27（1992）2 都有為.磁性材料的進展.北京，物理，vol 29（6）（2000）3 李樹堂主編，晶體X射線衍射學(xué)基礎(chǔ)M，冶金工業(yè)出版社，1990.54 陳世樸，王永瑞合編，金屬電子顯微分析M，機械工業(yè)出版社5 左演生，陳文哲，梁偉主編.材料