CN108754240A - 一种磁性铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁性铝基复合材料及其制备方法，在纯铝基体中加入钕铁硼(Nd2Fe14B)粉末，混合均匀后，采用粉末冶金法结合冷等静压结合微波烧结技术，制备具有强磁性的磁性铝基复合材料。本发明所制备的磁性铝基复合材料的优点在于：材料利用率高，成本低，选择微波烧结技术，利用其快速和整体烧结优势，控制材料的微观结构，为新材料具有高磁性能提供组织保证。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁性铝基复合材料及其制备方法，属于复合材料和粉末冶金技术领域。
背景技术
目前我国的磁性材料发展迅速扩大，而随着计算机、通讯等产业的发展,稀土永磁特别是Nd-Fe-B永磁产业得到了飞速发展，是支撑现代电子信息产业的重要基础材料之一，与人们的生活息息相关；同时，风力发电、新能源汽车、变频家电、节能电梯等新兴领域对高性能稀土永磁材料的需求日益增长，发展空间巨大；信息技术和电子产品数字化发展，对电子器件和材料提出了新的要求，如小型化、高性能、低损耗、低噪声等；以快速发展的新能源汽车为代表，小型化和轻量化的发展，对新型高效节能电机的需求非常旺盛，需要应用新材料提高电机的功能和减小尺寸。
钕铁硼(Nd2Fe14B)在永磁材料中发展最快且最具应用前景，具有体积小和磁性强等特点，在磁学界被誉为“磁王”；但是钕铁硼材料具有以下性能不足，表现为：第一，密度大，质量重，不满足轻量化需求；第二，脆性非常明显，抗拉强度较小，极小裂纹都会促成其失效，安全性差，在高速运转的电机上使用有一定隐患；高脆性同时导致其加工性能极差；第三，电阻大，室温下的电阻率比电磁线高几十倍，导电性差，作为电声转化和机电传动装置时导电性能略显不足；第四，导热性差；综合来看，虽然钕铁硼有高磁性，但其附带的性能不足也限制着其使用和发展，也难以满足新形势下高性能磁性材料的性能需求。
铝在地壳中储量丰富，且具有比重小、导热性和导电性好、抗腐蚀性优良、加工性好等特性,但是铝没有磁性，所以在电子和磁范围的应用就受到了限制，现在铝完全用在非磁性方面，如航空航天、机械设备等；铝基复合材料综合了铝基体和复合相的优势，具有高强度、高模量、高耐磨、低膨胀性等综合优异的使用性能，在新材料研究中备受关注，目前国内对铝基复合材料的研究取得了一系列巨大成果，但是却少有对磁性铝合金及其复合材料的研究报道。
日本大学生产工学部研究室最早尝试制备磁性铝材，向铝熔体中添加铁氧体复合材料粉末并搅拌的方法，但是，因熔体温度高，铝与铁粉等磁性体容易发生反应，并在界面上形成金属间化合物，导致磁性损失，只能制备得到低磁性材料。
发明内容
本发明的目的提供一种磁性铝基复合材料及其制备方法，所述制备方法能够能获得高致密、高分散的组织结构，使所制备的材料相结构高度均匀、具有更高的致密度和更好的显微结构。所制备的磁性铝基复合材料具有钕铁硼优异的磁性能以及具有铝的比重轻、易加工等特性，可改善传统磁性材料脆、重的缺陷，同时可提高强韧性、导电和导热性，增加使用安全性。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种磁性铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将钕铁硼(Nd2Fe14B)粉末和铝粉在行星式球磨机中混合均匀，放在真空干燥箱中烘干待用；
(2)混合粉末用冷等静压压制成型，得到致密的复合材料坯锭；
(3)把复合材料坯体放入微波烧结炉中，在氩气保护下烧结成型；
(4)将烧结成型的复合材料放入充磁机充磁。
进一步地，步骤(1)中所述的钕铁硼(Nd2Fe14B)粉末与铝粉重量比为12.5～25：100。
进一步地，所述的冷等静压压制成型过程中，压强为100MPa、保压30s。
进一步地，微波烧结炉中烧结成型的烧结温度为590～650℃，保温3～5h。
一种所述的制备方法制备的磁性铝基复合材料由钕铁硼颗粒与铝基复合而成。
进一步地，所述的磁性铝基复合材料中，所述钕铁硼颗粒占铝基重量的12.5～25％。
微波烧结具有烧结速度快、高效节能、整体加热、可控性强的优点，利用微波所具有的特殊波段与材料的基本微观结构相互耦合从而产生热量，则材料的介质损耗会使材料整体加热至烧结温度，从而实现材料的致密化；本发明采用微波烧结技术取代传统烧结，利用其快速和整体烧结优势，获得高致密、高分散的组织结构，提高材料性能。
本发明采取粉末冶金法将钕铁硼粉末与铝粉复合制备磁性铝基复合材料，赋予铝基体高磁性。所制备的磁性铝基复合材料，不仅具有钕铁硼优异的磁性能，而且还具有铝的比重轻、易加工的特性，提高了磁性材料的强韧性，改善了传统磁性材料脆、重的缺陷。同时也提高了其导电和导热性，增加使用安全性，实现了材料的轻量化、小型化，利用该制造方法所制造的产品可用于电声转换或机电传动装置的磁性元件，可取代过去使用重金属铁来制造的电子、磁性零件，获得更高的经济效果。
附图说明
图1为本发明所述制备方法实施例1中钕铁硼粉末与铝粉重量比为配加量25wt.％，烧结温度为590℃时，所制备的磁性铝基复合材料的SEM图。
图2为本发明所述制备方法实施例2中钕铁硼粉末与铝粉重量比为配加量16.7wt.％，烧结温度为590℃时，所制备的磁性铝基复合材料的SEM图。
图3为本发明所述制备方法实施例3中钕铁硼粉末与铝粉重量比为配加量12.5wt.％，烧结温度为590℃时，所制备的磁性铝基复合材料的SEM图。
图4为对比实验结果图，其中(a)、(b)分别为590℃常规烧结的SEM低倍图、高倍图；(c)为590℃真空烧结的SEM图。
图5为实施例1在590℃烧结时本发明的材料的相EDS分析结果。由图(a)可知标记处主要元素为Al基体相，图(b)标记处主要为Nd2Fe14B相。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明所述的磁性铝基复合材料的制备方法，首先将钕铁硼(Nd2Fe14B)粉末和铝粉按照比例在行星式球磨机中混合均匀，放在真空干燥箱中烘干待用；其中钕铁硼(Nd2Fe14B)粉末与铝粉重量比为12.5～25：100。然后，将混合粉末用冷等静压压制成型，得到致密的复合材料坯锭；把复合材料坯体放入微波烧结炉中，在氩气保护下经过3～5h、590℃～650℃下烧结成型；最后，将烧结成型的复合材料放入充磁机，在6T下充磁。
本发明提供以下三种实施例，但并不是以任何方式限制该发明的应用范围和条件。
实施例1：
选用工业纯铝粉、平均粒径为10μm的Al粉，纯度为99.9％、粒度为15μm的钕铁硼粉。将钕铁硼(Nd2Fe14B)粉末和铝粉按照1:3比例，钕铁硼粉质量比25％，分别配置三份，标号1、2、3，分别混合后在行星式球磨机中以250r/min湿磨3h，均匀混合后放入真空干燥箱中烘干；将烘干后的混合粉末经冷等静压压制，加压100MPa，保压30s，得到致密的复合材料坯锭，之后将3组坯体分别在590℃、620℃、650℃下进行微波烧结成型，保温3h，保温过程中通入氩气保护；将制得的复合材料放入充磁机在6T的磁场下充磁，然后进行性能检测，结果见图1和表1。
表1实施例1所制备的磁性铝基复合材料的力学性能和磁性能
由图1可知，当烧结温度为590℃时，增强相尺寸细小且分布较均匀，基体致密且结合良好。由表1可知，当烧结温度为590℃时，材料的力学性能和磁性能最佳。
图5为在590℃烧结时本发明的材料的相EDS分析结果。由图(a)可知标记处主要元素为Al基体相，图(b)标记处主要为Nd2Fe14B相。
实施例2：
选用工业纯铝粉、铝粉平均粒径为10μm的Al粉，纯度为99.9％、粒度为15μm的钕铁硼粉。将钕铁硼(Nd2Fe14B)粉末和铝粉按照1:5，钕铁硼粉质量比16.7％，比例分别配置三份分别标号4、5、6，分别混合后在行星式球磨机中以250r/min湿磨3h，均匀混合后放入真空干燥箱中烘干；将烘干后的混合粉末经冷等静压压制，加压100MPa，保压30s，得到致密的复合材料坯锭，之后将3组坯体分别在590℃、620℃、650℃下进行微波烧结成型，保温3h，保温过程中通入氩气保护；将制得的复合材料放入充磁机在6T的磁场下充磁，最后进行性能检测，结果见图2和表2。
表2实施例2所制备的磁性铝基复合材料的力学性能和磁性能
由图2可知，当烧结温度为590℃时，增强相尺寸细小且分布较均匀，基体致密且结合良好。
由表2可知，当烧结温度为590℃时，材料的力学性能和磁性能最佳。
实施例3：
选用纯度为工业纯、平均粒径为10μm的Al粉，纯度为99.9％、粒度为15μm的钕铁硼粉。将钕铁硼(Nd2Fe14B)粉末和铝粉按照1:7比例，钕铁硼粉质量比12.5％，分别配置三份，标号7、8、9，分别混合后在行星式球磨机中以250r/min湿磨3h，均匀混合后放入真空干燥箱中烘干；将烘干后的混合粉末经冷等静压压制，加压100MPa，保压30s,得到致密的复合材料坯锭，之后将3组坯体分别在590℃、620℃、650℃下进行微波烧结成型，保温3h，保温过程中通入氩气保护；将制得的复合材料放入充磁机在6T的磁场下充磁，最后进行性能检测，结果见图3和表3。
表3实施例3所制备的磁性铝基复合材料的力学性能和磁性能
由图3可知，当烧结温度为590℃时，增强相尺寸细小且分布较均匀，基体致密且结合良好。
由表3可知，当烧结温度为590℃时，材料的力学性能和磁性能最佳。
综合分析可知，通过微波烧结制备的复合材料，温度在590℃时的力学性能和磁性能最好，微波烧结能提高复合材料的致密性，优化显微结构，使晶粒细小、均匀，基体致密且结合良好。
表4为普通铁氧体的磁性能，通过对比可知，该制备方法所得复合材料的磁性能均高于普通铁氧体的磁性能，具有一定的使用价值。
表4普通铁氧体的磁性能
| 剩磁(T) | 矫顽力(T) | 最大磁能积(KJ/m3) | |
| 铁氧体 | 0.36 | 0.36 | 25 |
对比实验：
为对比说明本发明所述的制备方法与其他制备方法的优势，采用与不同的烧结方法，在原料配比、烧结温度完全相同的条件下，制备磁性铝基复合材料。本对比试验中，钕铁硼(Nd2Fe14B)粉末和铝粉按照1:5比例，烧结温度590℃。
图4为中(a)、(b)分别为590℃常规烧结的磁性铝基复合材料的SEM低倍图、高倍图；(c)为590℃微波烧结的磁性铝基复合材料的SEM图。图4中块状相为钕铁硼，图4中(a)、(b)传统烧结试样中钕铁硼颗粒周围有白色附着相，是颗粒与基体界面反应产物。而在图4中(c)微波烧结试样中钕铁硼颗粒相与铝基体界面清洁，无明显界面反应，这对发挥复合材料中钕铁硼磁性能是有利的。总体上，微波烧结试样的晶粒尺寸相对较小且均匀，常规烧结试样的晶粒尺寸相对偏大且不均匀；微波烧结试样的致密性比常规烧结试样的要好。
表5为590℃时常规烧结和微波烧结的性能对比，从表可知，在590℃下，微波烧结制备的复合材料不管是力学性能还是磁性能都高于常规烧结。
表5烧结温度590℃、比例1:5制备的磁性铝基复合材料的力学性能和磁性能
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种磁性铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将钕铁硼(Nd2Fe14B)粉末和铝粉在行星式球磨机中混合均匀，放在真空干燥箱中烘干待用；
(2)混合粉末用冷等静压压制成型，得到致密的复合材料坯锭；
(3)把复合材料坯体放入微波烧结炉中，在氩气保护下烧结成型；
(4)将烧结成型的复合材料放入充磁机充磁。
2.如权利要求1所述的磁性铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的钕铁硼(Nd2Fe14B)粉末与铝粉重量比为12.5～25：100。
3.如权利要求1所述磁性铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的冷等静压压制成型过程中，压强为100MPa、保压30s。
4.如权利要求1所述磁性铝基复合材料的制备方法，其特征在于，微波烧结炉中烧结成型的烧结温度为590～650℃，保温3～5h。
5.一种由权利要求1-4中任一项所述的制备方法制备的磁性铝基复合材料，其特征在于，由钕铁硼颗粒与铝基复合而成。
6.根据权利要求5所述的磁性铝基复合材料，其特征在于，所述钕铁硼颗粒占铝基重量的12.5～25％。
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