Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

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

Spyra M., Leonowicz M.

Kompozyty

|

2007

|

R. 7, nr 1

9-12

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.

2

Zastosowanie modelu geometrycznego do opisu podwyższenia remanencji w magnetycznie twardych nanokompozytach typu RE-M

Kaszuwara W.

Kompozyty

|

2003

|

R. 3, nr 7

159-164

PL

Opracowano model wiążący zjawisko podwyższonej remanencji ze strukturą fazową magnesów nanokrystalicznych (nanokompozytowych). Przyjęto, że w próbce izotropowej, której remanencje można obliczyć z prawa Stonera-Wohlfartha, w wyniku działania zjawiska podwyższenia remanencji tworzy się pewien obszar o właściwościach materiału anizotropowego. Powstaje on wokół ziaren fazy magnetycznie twardej zorientowanych osią łatwego namagnesowania w kierunku zewnętrznego pola magnetycznego i rozciąga się na odległość L = (A/K1)1/2 (A - stała wymiany, K1 - stała anizotropii) od ich powierzchni. Wkład tych obszarów w sumaryczną wartość remanencji magnesu równy jest iloczynowi ich udziału i namagnesowania nasycenia fazy objętej oddziaływaniami wymiennymi. Zależność remanencji od zawartości pierwiastka ziem rzadkich obliczona według takiego modelu posiada trzy zakresy zmienności. Opracowany model dobrze opisuje wyniki doświadczalne uzyskane dla magnesów Nd-Fe-B i Sm-Fe-N, otrzymanych metodą mechanicznej syntezy.

EN

A simple geometrical model which describes enhanced remanence in nanocrystalline magnetic materials in terms of their phase constitution has been formulated. It has been assumed that in isotropic material, the remanence value which can be calculated on a basis of the Stoner-Wohlfarth model for the non interacting single domain particles, some proportion of its volume attains the properties characteristic of an anisotropic material. The magnetically aligned material ranges in the vicinity of magnetically hard crystallites, easy magnetisation axes of which are oriented parallel to the external magnetic field. The length of these exchange interactions L can be expressed by L = (A/K1)1/2 (where A - exchange constant, K1- first anisotropy constant). Contribution of this aligned material to the total remanence value of the magnet is equal to the product of its volume fraction and saturation magnetisation. The dependence of the remanence value on the rare earth content, which can be calculated on a basis of this model, exhibits three distinct parts origin of which has been explained. The calculated values of the remanence are in good agreement with the experimental data for Nd-Fe-B and Sm-Fe-N magnets prepared by mechanical alloying.

3

Nanokompozyty magnetyczne twarde

Kaszuwara W., Leonowicz M., Wojciechowski S.

Kompozyty

|

2001

|

R. 1, nr 1

3-6

PL

Nanokompozyty magnetycznie twarde stanowią nową grupę magnesów, w których o poziomie uzyskiwanych właściwości decydują oddziaływania wymienne pomiędzy atomami sąsiednich ziaren. W wyniku tych oddziaływań następuje zmiana właściwości uznawanych za samoistne właściwości fazy magnetycznie twardej (stałej anizotropii, temperatury Curie) oraz właściwości od nich zależnych, np. remanencji. Wyróżnikiem tej grupy magnesów nie jest skład chemiczny, lecz mikrostruktura złożona z nanokrystalicznych ziaren fazy magnetycznie miękkiej i magnetycznie twardej. Poprzez odpowiednie kształtowanie struktury fazowej (dobór składu chemicznego i metody otrzymywania) możliwe jest uzyskiwanie znanych wcześniej materiałów magnetycznie twardych: Nd-Fe-B, Pr-Fe-B lub Sm-Fe-N jako materiałów nanokompozytowych.

EN

Hard magnetic nanocomposites became a new class of magnetic materials, their properties being determined by magnetic exchange interactions in nanocrystalline microstructure. They result in a change of magnetic parameters (e.g. anisotropy field and Curie temperature). The relations between intrinsic magnetic properties and microstructure are shown in Fig. 1. Nanocrystalline magnets (crystallite size < 20 nm) show enhanced remanence. The length of exchange interactions is described by: L = (A/K1)1/2, where K1 - anisotropy constant, A - exchange constant. The scheme of the magnetic moments in nanocrystalline, single phase material is shown in Fig. 2. Although coercivity is usually somewhat lower, the maximum energy product is also enhanced (Fig. 3). Magnetic nanocomposites hardly can be thought of as composites regarding their phase structure, nevertheless they consist of two magnetically different phases (Fig. 4). Magnetic properties of a nanocomposite magnet are controlled by crystallites size and volume fraction of the soft magnetic phase, which is regarded as optimal on a level of 40%. Magnetic material can be regarded as nanocomposite provided that the crystallite size is less than 20:30 nm. Larger grains show a superposition of hysteresis loops for soft and hard materials and a very low maximum energy product occurs (Fig. 4c). When the crystallites size is in the nanocrystalline regime, macroscopic properties produce smooth hysteresis loop and enhanced energy product (Fig. 4d). Nanocrystalline structure can be obtained in several hard magnetic systems, especially these based on a Nd-Fe-B system. A change of the alloy composition can strongly affect the magnetic properties (Fig. 5). The remanence and the coercivity increases and decreases, respectively, with decreasing Nd content. Rapid solidification methods, mechanical alloying and mechanical milling can be used for producing of nanocrystalline and nanocomposite magnets. All of these methods produce material in a form of powder or flakes which must subsequently be consolidated to a high density product usually employing methods based on metal or resin bonding. Because the nano-structure is strongly metastable the high temperature processing methods must be avoided. Good results can be also obtained with the application of shock pressing using explosives, however, the possibility for industrialisation of this method is rather limited.