分析测试论文hxq

1、纳米双相复合钕铁硼永磁材料磁性能的分析技术摘要:可以通过采用熔体快淬和晶化热处理方法制备纳米晶双相复合钕铁硼永磁材料。然后利用XRD、TEM、VSM以及多功能磁测量仪等手段研究制备工艺参数、成分变化对其微观结构和磁性能的影响规律。本文主要讲述的是如何利用这些测试方法研究材料的磁性能。关键词：钕铁硼永磁材料、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 简介：磁性材料包括硬磁材料、软磁材料、半硬磁材料、磁致伸缩材料、磁性薄膜、磁性微粉等。在磁学理论的指导下，各种磁性材料被

4、不断的研制出来。磁性材料的发展与运用主要归纳为一下几个阶段：50年代前为金属磁体，50-80年代为铁氧体，90年代以来，除传统的永磁、软磁等材料有了显著发展外，新的磁性功能材料如巨磁电阻、巨磁致伸缩等也为未来磁性材料的发展开拓了新领域。Nd-Fe-B合金被称为第三代永磁材料，而永磁材料的应用主要是利用它在气隙中产生的磁场强度Hg，而Hg的大小与永磁材料的最大磁能积（BH）max的平方根成正比1。磁性材料的表征有以下几个参量：非结构敏感磁参量，如饱和磁化强度Ms、居里温度Tc等，结构敏感磁参量，如剩磁Br、矫顽力Hc、最大磁能积（BH）max等2。在这里，研究材料磁性能的手段主要是VSM。而材料

5、的磁性能又和其微观结构紧密联系着，研究材料微观结构的手段有XRD、SEM、TEM。1.2 测试目的：Nb-Fe-B纳米晶复合永磁材料具有宽广的使用前景，其磁参量理论值高但实验值低。而交换耦合的关键因素是晶粒尺寸的大小，而通过改善晶粒大小以及形成均匀晶粒尺寸可以进一步得到高性能的纳米晶复合永磁材料。就目前的研究方法来说，主要集中在两个方面：一个是对制备工艺的改善；一个是添加合金元素。本文主要通过添加Co、Zr元素，并调节成分，研究掺杂对Nb-Fe-B材料磁性能的影响，并利用先进的检测手段，进行分析探讨。1.3 样品制备：首先计算合金成分，然后配料，接着在真空电弧炉多次进行熔炼。最后，利用甩带机（

6、即熔体快淬法：在真空快淬炉中，将母合金熔液细流直接喷射到一个旋转冷却辊上而制成快淬薄带，然后将快淬薄带在真空条件下进行晶化处理）制得薄带。图1 单锟熔体快淬法示意图2. 测试方法2.1 X射线衍射分析（XRD）：每种特定的结晶物质都具有特定的晶体结构，包括晶体的结构类型、晶胞大小和形状、晶胞中各个原子的品种、数目和位置。在一定波长的X射线作用下，每种结晶物质都可以给出自己所特有的衍射花样，不同的结晶物质衍射花样也会不同，即衍射花样与晶体结构是一一对应的，若该物质由多种相构成，那么这个物质的衍射花样也是由这几种相的衍射花样机械叠加而成的3。 根据Bragg定律，X射线波长、晶面族的面间距d及晶面

7、问的夹角间有如下关系：2dsin=n （1）入射的X射线被一簇晶面(h、k、l)发生相位干涉，就会出现一个衍射峰。不同的晶体结构有着不同的衍射花样，材料的微结构和相成分的微弱不同都会影响衍射峰的强度。x射线衍射峰强度可以表示为：I = PFhkl2（1+cos22）/（sin2cos2）e-2DA （2）其中Fhkl = ficos2（hxi + hyi + hzi）式中P是常数，e-2D是使原子热振动引起的与温度有关的因子，A为吸收因数，对于不同的空间群有不同的消光条件，不同晶面(h、k、l)有不同的X射线反射能力，一定的空间群对应一定的衍射谱，据此可以确定物质的晶体结构。晶粒尺寸的变化也会

8、导致衍射峰的变化，晶粒尺寸变小和畸变的晶格都会导致衍射峰的变宽，根据谢乐公式(Scherrer)：Dhkl = （3）式中hkl为衍射峰的半高宽的宽化度，Dhkl为晶粒尺寸，为衍射峰的布拉格角，为入射X射线的波长。图2 典型衍射线条强度半顶峰宽度的宽化示意图从实验中测出的衍射线的半高宽(B1)，包括了工具宽度(Bo)和本质宽度(hkl)。根据实测宽度B1求出本质宽度的方法有几种，但首先必须知道Bo。Bo采用完全相同实验条件下，晶粒尺寸较大(大于10-7m)的同一条衍射线条的半高宽。则半高宽的宽化度hkl可以表示为： hkl= B1-B0 （4）或者， hkl= （5） hkl=（B1-B0）

9、（6）2.2 透射电镜：透射电镜(TEM)的工作原理是利用一束高聚焦的单色电子柬轰击处于真空中的薄固体样品，电子束的能量很高足以穿透样品，利用一系列的电磁透镜将透射电子的信号放大，这样可以在样品下方形成各种衍射花样。通过分析这些衍射花样，可以得到有关样品的结构和缺陷的多种信息4。本实验制备TEM样品的方法如下：首先，将经过晶化处理后的快淬薄带研磨，过120目的筛子。碾磨后的微颗粒与铝粉按体积比3：7混合均匀，取0608g左右，模压成厚约lmm的片状块体，在轧机上反复轧制成薄片，冲成3mm的小圆片，最后，将该圆片在细砂纸上磨至40m左右厚，利用Ar离子溅射减薄机进行减薄，当该圆片中心部位出现一个

10、透光小孔时，将其放入TEM实验仓进行观察。2.3 振动样品磁强计（VSM）:2.3.1 测试目的：振动样品磁强计主要用于各种磁性材料（如磁性粉末、超导材料、磁性薄膜、各向异性材料等）的测量。可完成磁滞回线、起始磁化曲线、退磁曲线及温度特性曲线、IRM和DCD曲线的测量。2.3.2 测量原理：如图3VSM实物图所示，振动样品磁强计(VSM)的主体部件是由直流线绕磁铁、振动器和感应线圈组成。装在振动杆上的样品位于磁极中央感应圈中心连线处，在感应线圈的范围内垂直磁场方向振动。VSM利用了法拉第电磁感应原理，是使样品和探测线圈做相对运动来获取信号，从而达到测量的目的。VSM实际是一个磁感应强度的计量装

11、置，线圈置于特定空间(电磁铁两极头之间的空隙)中。当样品在或者不在此空间内(样品往复振动)而产生磁通变化时，感应线圈就会感应出一个交流电压信号，该信号被放大后进行记录和显示，就可以得到有关样品性能的各种信息5。图3：振动样品磁强计VSM测量的是线圈中有样品和无样品时的磁感应强度。当探测线圈中没有样品时，线圈中的磁感应强度为： B0 = 0H （7） 当探测线圈已有样品移入时，磁感应强度为Bm = 0H+0M （8） 其两者之差 B = 0M （9） 也就是说，VSM测量的样品振动引起的磁通量的变化，由法拉第电磁感应定律，在探测线圈中引起一个电动势为 = N d/dt = - NA dB/dt

12、（10） dt = - NA0M （11） 式中，N是线圈匝数，A是样品横截面，为电动势，t为时间。所以振动样品磁强计探测线圈输出频率一定（决定于样品的振动频率）的交流信号，它与磁场H无关，只决定样品的磁化强度M。2.3.3 注意事项 在测量时，H为外磁场，也就是说，只有在可以忽略样品的“退磁场”情况下，利用VSM测得的回线，方能代表材料的特征，否则，必须对磁场进行修正后所得到的回线形状，才能表示磁力的真实特征。所谓“退磁场”，即当样品杯磁化后，其M将在样品两端产生“磁荷”，此“磁荷对”将产生于磁化场方向相反的磁场，从而减弱了外加磁化场H的磁化作用，故称为退磁场。可将对磁场表示为“退磁因子”，

13、其取决于样品的形状67。3 数据分析3.1 B含量对该合金系材料结构及磁性能的影响图4是B含量为X=6.2，X=6.5和X=7时，Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx快淬薄带的X射线衍射图，从图中可以看出，随着B含量的不断增加，X射线衍射图谱中的晶化峰不断减少。比较B含量为X=62和X=7，可以发现，X=62的快淬薄带衍射图谱中有少量的晶化峰出现，而在X=7时，基本上呈现漫散包。这表明B含量的增加，增强了非晶态的稳定性，抑制了晶态相的出现。图4 Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx （22ms-1）快淬薄带X射线衍射图谱 图5是不同B含量Nd10.1Fe（82.

14、2-x）Co5Zr2.7Bx的快淬薄带（16ms-1）经710/4min晶化后测得的VSM变化曲线。从图中可以看出，随着B含量的增加，1到3曲线的矩形度及剩磁不断的增加，当达到4时，开始下降。这表明，B的适量增加，有利于改善Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx的矩形度及剩磁。图6是用VSM对不同B含量快淬带（16ms-1）经710/4min晶化后测得的Mr/Ms变化曲线，从中可以看出，随着B含量的增加，其剩磁比Mr/Ms先增加后减少，并在B含量为X=6.7时达到最大值，为0.758.。图5 不同B含量Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx快淬薄带（16ms-1）经

15、710/4min晶化后的VSM变化曲线图6 不同B含量Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx快淬薄带晶化后Mr/Ms变化曲线 图7（a）（b）分别是B含量为X=6.2和X=6.7的快淬薄带晶化处理后的透射电镜照片。从图中可以看出，随着B含量的增加，样品的晶粒尺寸变得细小而且更加均匀。图7 （a）Nd10.1Fe76Vo5Zr2.7B6.2和（b）Nd10.1Fe75.5Co5Zr2.7B6.7快淬薄带（16ms-1）经720/4min晶化处理后TEM照片图8 Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx（X=6.2,6.5,6.7,7）粘结磁体在不同快淬速度下的剩磁变化曲

16、线图8是不同B含量Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx的粘结磁体在不同淬速下的剩磁Br变化曲线。从图中可以看到，随着快淬速度由14ms-1增大到20ms-1，Br先是增大然后减少，均在16ms-1出现最大值。图9 Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx粘结磁体在不同快淬速度下最大磁能积变化曲线图9是不同B含量Nd10.1Fe（82.2-x）Co5Zr2.7Bx粘结磁体在不同快淬速度下的最大磁能积变化曲线。从图中可以看到，随着B含量的增加，粘结磁体的最大磁能积亦先增大后减少，在X=6.7，淬速为16ms-1时出现最大值。4结论在研究材料的磁性能时，常常采用XRD、T

17、EM、VSM等手段对其微观结构和各项磁性能进行分析。通过XRD可以对材料进行定性分析和定量分析，而TEM可以观察材料的微观结构，而VSM可完成磁滞回线、起始磁化曲线、退磁曲线及温度特性曲线、IRM和DCD曲线等的测定。该实验中，通过运用这些手段我们可以知道，B含量的增加，有利于提高快淬薄带的非晶稳定；适当的B含量，可以细化、均匀晶粒结构，增强晶粒间交换耦合作用，从而提高粘结磁体的剩磁即最大磁能积。5. 参考文献1 戴道生，钱昆明著，铁磁学，北京，科学出版社，p.27（1992）2 都有为.磁性材料的进展.北京，物理，vol 29（6）（2000）3 李树堂主编，晶体X射线衍射学基础M，冶金工业出版社，1990.54 陈世朴，王永瑞合编，金属电子显微分析M，机械工业出版社5 左演生，陈文哲，梁伟主编.材料