客观日本

日本发现稀土含量少的钐铁钴化合物,1.2特斯拉高矫顽力足以用于汽车马达

2020年06月16日 电子电气

日本国立研究开发法人物质材料研究机构(NIMS)与东北学院大学合作,使在稀土类元素含量较少的钐铁钴化合物Sm(Fe0.8Co0.2)12中添加硼制作的薄膜,成功实现了足以用于汽车马达等工业用途的1.2特斯拉高矫顽力。这是通过用厚度约为3nm的非晶相均匀覆盖Sm(Fe0.8Co0.2)12颗粒的独特多相纳米结构实现的。采用薄膜的模型实验证明,钐铁基磁铁的潜力超过钕磁铁。

钕磁铁在硬盘驱动器和智能手机等小型电子产品、空调等家电产品以及医疗器械MRI等需要强磁力的用途得到了广泛应用,最近还常用于混合动力车和纯电动汽车的驱动马达以及风力发电机等,消耗量迅速增加。使用过程中温度会升高的纯电动汽车驱动马达使用钕磁铁来提高耐热性,还使用了名为镝的稀土类元素,但由于原料的地缘政治风险较高,需要开发不依赖这些元素的磁铁。

已知SmFe12化合物的稀土(Sm)比例相对于铁来说较低,磁化强度、磁晶各向异性和居里温度等磁性能的值也适合应用于磁铁,长期以来,很多研究人员都在尝试推进使用这种化合物开发磁铁。2017年NIMS确认,SmFe12中20%的Fe被Co取代的Sm(Fe0.8Co0.2)12化合物,其磁性能值超过了钕磁铁化合物Nd2Fe14B。不过,以前这种化合物一直未实现磁铁所需的“矫顽力”,因此未能作为磁铁实现实用化。

研究成果

目前广泛使用的高性能钕磁铁实现了由厚约3nm的非晶相覆盖住单向排列的Nd2Fe14B晶体的各向异性多相结构,因此能获得高矫顽力。所以,Sm(Fe0.8Co0.2)12化合物需要实现在晶界薄而均匀地形成第二相的微细构造。研究团队通过在Sm(Fe0.8Co0.2)12薄膜中添加硼(B),生长出了晶体取向一致的薄膜,如图1的电子显微镜照片所示,获得了Sm(Fe0.8Co0.2)12的纳米晶体被厚约3nm的非晶相覆盖的颗粒状组织。从电子显微镜样本的透射图和截面图可以看出,该薄膜的微细结构模式如图1(b)所示,柱状纳米晶体全部朝着同一个方向取向,而且各晶体是被薄薄的非晶相包围的各向异性多相组织。

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图1:Sm(Fe0.8Co0.2)12B0.5薄膜的面内和截面电子显微镜图像以及微细组织的模式图。
形成了由厚3nm的非晶相均匀覆盖住Sm(Fe0.8Co0.2)12纳米颗粒的独特各向异性多相组织。

图2比较了添加B的Sm(Fe0.8Co0.2)12B0.5薄膜的磁化曲线。横轴是为使样本磁化而施加的外磁场的强度,纵轴是磁化值。外磁场为零时的磁化值为剩磁(可作为磁铁使用的磁力值),向相反方向施加外磁场,磁化变为零的磁场值(磁铁被外磁场消磁的磁场)为“矫顽力”。优质磁铁的剩磁和矫顽力都非常高。不含B的样本,矫顽力的值仅0.1特斯拉(T),添加B的样本则高达1.2特斯拉。这个值约为此前报告的SmFe12基各向异性磁铁实现的矫顽力的1.4倍。另外,Sm(Fe0.8Co0.2)12B0.5薄膜的剩磁为1.5T,与最高性能的钕磁铁为同等水平。

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图2:Sm(Fe0.8Co0.2)12B0.5薄膜的磁化曲线。向样本施加的磁场的方向垂直于薄膜。

另外,研究团队测量此次开发的Sm(Fe0.8Co0.2)12B0.5薄膜的矫顽力对温度的依赖性发现,1℃的减少率为-0.22%,小于钕磁铁的-0.55%。纯电动汽车和风力发电机等要求具备180℃的耐热温度,不过此次确认,Sm(Fe0.8Co0.2)12B0.5薄膜具有优于钕磁铁的耐热性。

图3比较了此前报告的SmFe12基磁铁粉末、具备最高磁化强度的钕磁铁以及此次研究的薄膜磁铁的剩磁和矫顽力。此次,薄膜获得的磁铁特性远远超过以往的SmFe12基磁粉的特性,比钕磁铁也略高一些。当然,要想使磁铁实现实用化,必须在块状样本中实现这种特性,不过此次的成果表明,适当控制微细结构的话,能获得此前SmFe12基各向异性磁铁无论如何也无法获得的高矫顽力。

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图3:剩磁与矫顽力的关系。目标磁铁性能为满足高矫顽力和高剩磁的右上部分。本次研究实现了远远高于此前的SmFe12基磁铁和略高于钕磁铁的特性。

如果想将Sm(Fe0.8Co0.2)12基化合物实际应用于磁铁,需要在块状磁铁中实现本次研究获得的微细组织。今后将朝着这个目标进一步推进研究。

论文信息
题目:Achievement of High Coercivity in Sm(Fe0.8Co0.2)12 Anisotropic Magnetic Thin Film by Boron Doping
期刊:《Acta Materialia》(2020)
DOI:10.1016/j.actamat.2020.05.026

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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