Effect of titanium addition on structure and magnetic properties of hard magnetic Nd-Fe-B nanocomposites

• Autorzy: Spyra M. , Leonowicz M.

Warianty tytułu

PL

Wpływ dodatku tytanu na strukturę oraz właściwości magnetyczne nanokompozytów magnetycznie twardych Nd-Fe-B

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Among a variety of magnetic materials, in early 90 s of the XXth century, appeared a new class of alloys called magnetic nanocomposites. Such materials combine hard and soft nanostructured magnetic phases giving rise for the property enhancement. These materials take advantage of the correlations between the exchange and anisotropy energy. When the grains are small enough (for the Nd-Fe-B magnets this critical size is close to 30 nm) the exchange length L from crystallites oriented favourably with their easy magnetisation axes to the external magnetic field, covers substantial part of the neighbouring grains. The exchange length is proportional to the exchange constant A and reversibly proportional to average anisotropy constant . The latter coefficient strongly depends on the grain size dz. Thus, in nanocrystalline magnets the exchange length covers substantial volume of neighbouring crystallites. As a result the material gains some proportion of magnetic anisotropy in a crystallographically isotropic state. In this study the nanocomposite Nd9Fe77-xB14Tix system, containing hard magnetic Nd2Fe14B phase and soft magnetic [alpha]Fe phase, was investigated. The effect of titanium addition on the structure and magnetic properties was studied. It was found that 2-4 at. % Ti addition leads to substantial increase of the coercivity and maximum energy product maintaining the remanence unchanged. The highest properties: Jr = 0.81 T, JHc = 907 kA/m, (BH)max = 99 kJ/m3 have been achieved for the Nd9Fe73B14Ti4 alloy. This effect we attribute to the fine and homogeneous grain structure in Ti containing materials. The hysteresis loops for Ti containing alloys are smooth and characteristic of a single phase alloys. The initial magnetization curve indicates change of the coercivity mechanisms giving rise to pinning of domain walls, which is caused by the reduction of the crystallite size.

PL

Na początku lat 90. XX wieku pojawiła się nowa grupa materiałów magnetycznych zwanych nanokompozytami magnetycznymi. Materiały te, zawierające nanostrukturalne fazy: magnetycznie miękką oraz magnetycznie twardą, wykazują podwyższone właściwości magnetyczne. Wykorzystują energię wymiany anizotropii magnetycznej. Kiedy ziarna są wystarczająco małe (dla magnesów Nd-Fe-B rozmiar ziarna jest bliski 30 nm), oddziaływania wymienne L dla ziaren korzystnie zorientowanych względem osi łatwego magnesowania w kierunku zewnętrznego pola magnetycznego obejmują sąsiednie ziarna. Oddziaływania wymienne są proporcjonalne do stałej wymiany A i odwrotnie proporcjonalne do współczynnika efektywnej anizotropii materiału . Współczynnik silnie zależy od wielkości ziarna dz. Tak więc, w magnesach nanokrystalicznych zasięg oddziaływań wymiennych pokrywa znaczną część sąsiadujących ziaren. W rezultacie materiał zyskuje pewną anizotropię magnetyczną w stanie izotropowym. Badaniom zostały poddane stopy Nd9Fe77-xB14Tix, zawierające fazę magnetycznie twardą - Nd2Fe14B oraz fazę magnetycznie miękką - [alfa]Fe. Zbadano wpływ dodatku tytanu na strukturę oraz właściwości magnetyczne. Stwierdzono, że dodatek 2-4% Ti powoduje znaczny wzrost koercji oraz energii magnetycznej bez spadku remanencji. Wysokie właściwości: Jr = 0,81 T, JHc = 907 kA/m, (BH)max = 99 kJ/m3 zostały uzyskane dla stopu Nd9Fe73B14Ti4. Efekt ten jest przypisywany drobnej, jednorodnej mikrostrukturze w materiale zawierającym tytan. Pętle histerezy dla stopów z dodatkiem Ti są gładkie i charakterystyczne dla stopów jednofazowych. Krzywa pierwotna magnesowania wykazuje zmiany mechanizmów przemagnesowania z dużym udziałem kotwiczenia ścian domenowych, wywołanego rozdrobnieniem mikrostruktury.

Słowa kluczowe

EN

hard magnetic nanocomposites; structure; magnetic properties; titanium

PL

nanokompozy magnetycznie twarde; właściwości magnetyczne; struktura; tytan

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2007
• Tom: R. 7, nr 1
• Strony: 9--12
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys.

Twórcy

autor

Spyra M.

autor

Leonowicz M.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, Wołoska 141, 02-507 Warsaw, Poland,

Bibliografia

• [1] Leonowicz M., Wysłocki J.J., Współczesne magnesy, WNT, Warszawa 2005, 48-51, 101-107.
• [2] Coehoorn R„ de Mooij D.B., Duchateau J.P.W.B., Buschow K.H., J. Phys. 1988, C8, 669.
• [3] Kneller E., Hawig R., IEEE Trans. Magn. 1991, 27, 3588.
• [4] Manaf A., Buckley R.A., Davies H.A., J. Magn. Magn. Mater. 1993, 128, 302.
• [5] Ding J., McCormick P.G., Street R., J. Magn. Magn. Mater. 1993, 124, 1.
• [6] Davies H.A., Harland C.L., Betancourt J.I., Mendoza G., Proceedings of the MRS Symposium on Advanced Hard and Soft Magnetic Materials, ed. M. Coey, L.H. Lewis, B.M. Ma, T. Schrefl, L. Schultz, J. Fidler, V.G. Harris, R. Hasegawa, A. Inoue, M. McHenry, Materials Research Society, Warrendale, PA, 1999, 27.
• [7] Harland C.L., Davies H.A., J. Appl. Phys. 2000, 87, 6116.
• [8] Kojima A., Ogiwara F., Makino A., Inoue A., Masumoto T., Mater. Sci. Eng. 1997, A 226, 520.
• [9] Wang Z., Zhou S., Zhang M., Quiao Y., Wang R.J. Appl. Phys. 1999, 86, 7010.
• [10] Wang Z„ Zhou S., Zhang M., Quiao Y., Gao X., Zhao Q„ Wang R., Gong W., J. Appl. Phys. 1999, 85, 4880.
• [11] Gabay A.M., Popov A.G., Gaviko V.S., Belozerov Y.V., Yermolenko A.S., J. Alloys Compd. 1996, 245, 119.
• [12] Chang W.C, Chiou D.Y., Wu S.H., Ma B.M., Bounds C.O., Appl. Phys. Lett. 1998, 72, 121.
• [13] Chang W.C., Wang S.H., Chang S.J., Tsai MY., Ma B.M., IEEE. Trans. Magn. 1999, 35, 3265.