磁-热-力协同作用MnBi/Nd2Fe14B复合永磁体的织构控制及交换耦合机理

In recent years, the huge demand of rare earth permanent magnetic materials leads to the excessive consumption of rare earth resources. In this project, MnBi/Nd2Fe14B anisotropic composite magnets are prepared by hot pressing and deformation. The growth and orientation of the NiAs phase of MnBi alloy and the 2:14:1 phase of Nd-Fe-B alloy is investigated in the process of rapid solidification and hot pressing deformation, the processes of atomic transport, defect evolution, grain growth and slip rotation are analyzed in detail, Uniaxial texture of non rare earth and rare earth hard magnetic phase is induced by the action of magnetic field, heat and pressure. The dependence of exchange coupling strength on two magnetic phase distribution and orientation, and micromagnetic parameters on microstructure parameters at different temperatures is revealed. The response mechanism of domain structure to internal exchange coupling and external magnetic field is demonstrated. The above results will contribute to the theoretical research for developing MnBi/Nd2Fe14B nanocomposite permanent magnet with strong orientation and low temperature coefficient.

近年来，稀土永磁材料的巨大需求导致稀土资源的过度消耗，新型低稀土或非稀土永磁材料成为研究热点。项目拟通过热压/热变形制备MnBi/Nd2Fe14B各向异性复合磁体，研究快速凝固及热压变形过程中锰铋合金NiAs晶型和钕铁硼合金2:14:1相纳米晶的生长和取向规律，深入分析不同流变阶段原子输运、缺陷演化、晶粒生长及滑移转动过程，实现磁-热-力协同作用诱导下对非稀土硬磁相与稀土硬磁相单轴织构的控制。阐明MnBi/Nd2Fe14B纳米复合永磁体系中交换耦合作用强度与两硬磁相分布及取向的关联性、不同温度下微磁参数与微结构参数的依赖关系，进一步探明磁体内部交换耦合和外磁场共同作用下介观磁畴结构的响应机制，为获得具有强取向低温度系数MnBi/Nd2Fe14B复合磁体提供理论依据。

永磁体，尤其是稀土基磁体，是电动汽车和风力涡轮机的关键组成部分，在能源关键技术和信息传输中处于不可或缺的地位。然而，稀土环境、战略供应以及不断增长的价格促使人们开始寻求成本低、供应风险小和磁性能优异的新型非稀土永磁体。近年来，非稀土MnBi合金因其低温金属间相（LTP）的磁晶各向异性强、饱和磁化强度高、以及独特的正矫顽力温度系数而备受关注，成为极具潜力的高温永磁体候选材料。 .本项目首先采用低能球磨工艺成功制备了高性能MnBi合金。一阶反转曲线（FORC）的分析结果表明：相比于高能球磨工艺，采用低能球磨工艺更有利于制备合金粒径更细小，整体更均匀的粉末，内禀矫顽力可高达13.1 kOe。项目创新性地进一步研究了非离子型表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）辅助低能球磨制备各向异性Mn55Bi45合金的微结构和磁性能。研究结果表明：聚乙烯吡咯烷酮的添加可以提高Mn55Bi45合金LTP相含量和磁性能，各向异性Mn55Bi45合金矫顽力可达到14.7 kOe，饱和磁化强度为57.5 emu/g，最大磁能积为7.1 MGOe。各向异性MnBi合金矫顽力机理符合Stoner-Wohlfarth模型。基于获得的高性能MnBi合金，本项目系统研究了MnBi/Nd2Fe14B纳米复合永磁体的相合成成分、磁性相比例以及制备条件对复合材料的晶粒分布、界面结构及非平衡相变织构生长等微结构的影响规律，并探讨了非稀土-稀土永磁间交换耦合作用关系及两者内在的关联，构建控制机制。NdFeB合金与MnBi合金双硬磁相复合的磁化行为表明：NdFeB合金的添加进一步提高了MnBi合金饱和磁化强度以及剩磁比，NdFeB/MnBi双相复合磁粉具有较强交换耦合作用，磁损耗更低。.本项目的实施获得了高性能MnBi及MnBi/NdFeB永磁合金，项目研究成果有助于阐明无稀土永磁材料体系“外场-过程-结构-性能”之间的关联，探明非平衡相变过程中磁-热-力协同作用下纳米晶复合永磁体中的纳米晶织构生长及其调控机制，为实现高性能低成本纳米晶复合永磁体的微结构设计及其可控技术提供理论和实验依据依据。本项目已发表文章12篇；申请国家发明专利13项，授权国家发明专利 9项；牵头制定国家标准1项，参与修订国家标准1项；项目成果获浙江省科技进步二等奖1项。