CN111128503A - 一种高强度钕铁硼磁体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度钕铁硼磁体及其制备方法，其以钕铁硼磁体作为母材基体，在所述钕铁硼磁体的表面设有金属镀层，所述金属镀层包括至少一层金属单质镀层，其特征在于，所述金属镀层上还设有石墨烯薄膜层。本发明在钕铁硼磁体常规金属镀层表面制得石墨烯薄膜，由于石墨烯的高强度特性，使得磁体表面具有极高的强度，同时网状结构的石墨烯薄膜能够减小金属镀层的脱落，从而获得高强度和高稳定性的钕铁硼磁体。

Description

一种高强度钕铁硼磁体及其制备方法

技术领域

本发明属于稀土永磁材料技术领域，具体涉及一种高强度钕铁硼磁体及其制备方法。

背景技术

永磁材料，又称“硬磁材料”，指的是一经磁化即能保持恒定磁性的材料。实用中，永磁材料工作于深度磁饱和及充磁后磁滞回线的第二象限退磁部分。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料等。

在稀土永磁材料中，作为迄今综合磁性能最高的当属烧结钕铁硼永磁，其是由稀土元素RE(Nd，Pr等)、过渡金属TM(Fe，Co等)和B元素按一定的成分比例经熔炼后组成的合金，然后采用粉末冶金的方法压制成型，经烧结得到的一种高性能磁性材料。目前烧结钕铁硼材料是由主相Nd₂Fe₁₄B相和晶间富Nd相组成，由于两相之间存在电位差导致其极易发生晶间腐蚀而影响钕铁硼磁体在高湿度、酸性等环境下的使用。另一方面，钕铁硼材料属于脆性材料，它的断裂为沿晶断裂，断裂韧度低，耐磨性差。

现有技术中，常用的提高钕铁硼磁体表面耐蚀性的方法主要是在磁体表面电镀锌、铜等金属镀层，起到防腐作用。常规的金属镀层虽然能提高磁体的耐蚀性，但是，在磁体表面防护方面仍然存在很多不足：一方面，镀层与磁体的结合力较低，在使用过程中容易从基体材料脱落而起不到防护作用；另一方面，金属镀层表面强度低，仅仅在基体表面镀金属镀层并不能提高基体材料的力学性能，而导致磁体在使用过程中易出现断裂、磨损等现象，降低材料使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明有必要提供一种高强度钕铁硼磁体及其制备方法，将钕铁硼磁体在电镀金属镀层后，利用石墨靶材原位溅射进行石墨烯生长，在钕铁硼磁体常规金属镀层表面制得石墨烯薄膜，由于石墨烯的高强度特性，使得磁体表面具有极高的强度，同时网状结构的石墨烯薄膜能够减小金属镀层的脱落，从而获得高强度和高稳定性的钕铁硼磁体。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高强度钕铁硼磁体，其以钕铁硼磁体作为母材基体，在所述钕铁硼磁体的表面设有金属镀层，所述金属镀层包括至少一层金属单质镀层，所述金属镀层上还设有石墨烯薄膜层。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，其具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。同时石墨烯作为已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。因此，本发明通过在常规金属镀层表面镀石墨烯薄膜，从而大幅提高电镀后钕铁硼磁体的力学性能。

进一步的，所述金属单质镀层的厚度为5-20μm。

进一步的，所述石墨烯薄膜层的厚度为5-10μm。

进一步的，所述金属单质包括铜、镍、锡中的一种。

进一步的，所述金属单质镀层为电镀层，本发明中优选采用电镀金属单质镀层，但不仅限于电镀层，可以理解的是，采用任何方式布置在磁体表面的金属单质镀层均可用于本发明中的技术方案中。

本发明还提供了一种高强度钕铁硼磁体的制备方法，具体包括以下步骤：

S1、将钕铁硼磁体的表面预处理清洗后，作为母材基体；

S2、在所述母材基体的表面电镀金属镀层，得到基底材料，所述金属镀层由至少一层金属单质镀层构成；

S3、在所述基底材料的表面原位溅射形成石墨烯薄膜，得到高强度钕铁硼磁体。

进一步的，步骤S1中，所述预处理清洗包括除油、酸洗、水洗、烘干。

优选的，所述除油的步骤为：置于温度为60-70℃、pH值为10～11的NaOH溶液中除油时间为13～15min；

所述酸洗的具体步骤为：置于浓度为3％～5％的硝酸，酸洗30～90s；

所述水洗为超声水洗。

进一步的，步骤S3中原位溅射为磁控溅射，所述磁控溅射的具体步骤为：在真空条件下，对所述基底材料进行加热后，以高纯石墨作为靶材，氩气作为溅射气体，利用石墨靶材原位溅射进行所述基体材料表面的石墨烯生长，待所述基底材料冷却后得到石墨烯薄膜。

优选的，所述磁控溅射的具体工艺参数为：真空度5×10-3～5×10-4Pa，所述氩气的流量为120～300sccm，所述靶材的溅射功率为1～20kw，溅射时间为20～60min，所述加热的温度500～900℃，所述冷却的速度为10～30℃/min。

本发明将钕铁硼磁体预处理清洗后，首先镀覆一层或多层常规金属单质镀层(如铜、镍、锡等)，然后将处理好的磁体作为基底材料置于磁控溅射设备中，用高纯石墨作为靶材，氩气作为溅射气体，利用石墨靶原位溅射进行石墨烯生长，可通过改变沉积时间控制薄膜厚度，最终在钕铁硼磁体常规金属镀层表面再获得一定厚度的石墨烯薄膜。采用本发明的方法获得的钕铁硼磁体，第一镀层为金属镀层，第二镀层为石墨烯薄膜。利用石墨烯的高强度特性，使得磁体表面具有极高的强度，同时，网状结构的石墨烯薄膜能够减小金属镀层的脱落，最终获得高强度和高稳定性的钕铁硼磁体。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1

本实施例中的高强度钕铁硼磁体制备步骤如下：

S1、将商业用钕铁硼磁体(状态：未充磁，牌号：N52)切成5×6×19(mm)的样块若干备用，将备用的样块进行除油、酸洗、水洗、吹干。其中，除油工艺为采用pH值为10、温度为60℃的NaOH溶液，除油13min；酸洗工艺为采用浓度为3％的硝酸，酸洗90s；然后，将酸洗后产品在蒸馏水中超声清洗1-3min；最后，将产品吹干，待用。标记为试样A1；

S2、将部分试样A1的表面电镀一层铜金属镀层，镀层厚度为10μm，并标记为试样B1；

S3、将部分试样B1烘干后置于磁控溅射设备中，作为基底材料置于磁控溅射装载台上，高纯石墨作为靶材，对系统进行抽真空至真空室的真空度为5×10^-3Pa，然后关闭真空系统，充入高纯氩气，流量为120sccm，对磁体进行加热至800℃，给靶材加载功率10kw，利用石墨靶材原位溅射进行石墨烯生长，通过改变沉积时间控制沉积厚度，本实施例中沉积时间为20min，然后，磁体以10℃/min速度冷却后得到多层石墨烯薄膜，获得试样C1。

按照GB/T 6569-1986工程陶瓷弯曲强度试验方法和GB/T 4161-2007金属材料-平面应变断裂韧度KIC试验方法要求测试试样A1、B1、C1的抗弯强度和断裂韧性，结果如表1所示。

表1

由表1中的结果可以看出，采用本实施例中得到的钕铁硼磁体，抗弯强度和断裂韧性显著高于常规磁体，并且通过优化工艺参数可以获得更优性能的磁体。

实施例2

本实施例中的高强度钕铁硼磁体制备步骤如下：

S1、将商业用钕铁硼磁体(状态：未充磁，牌号：N52)切成5×6×19(mm)的样块若干备用，将备用的样块进行除油、酸洗、水洗、吹干。其中，除油工艺为采用pH值为10.5、温度为65℃的NaOH溶液，除油14min；酸洗工艺为采用浓度为4％的硝酸，酸洗60s；然后，将酸洗后产品在蒸馏水中超声清洗2min；最后，将产品吹干，待用。标记为试样A2；

S2、将部分试样A2的表面电镀一层镍金属镀层，镀层厚度为15μm，并标记为试样B2；

S3、将部分试样B2烘干后置于磁控溅射设备中，作为基底材料置于磁控溅射装载台上，高纯石墨作为靶材，对系统进行抽真空至真空室的真空度为5.5×10^-3Pa，然后关闭真空系统，充入高纯氩气，流量为180sccm，对磁体进行加热至850℃，给靶材加载功率16kw，利用石墨靶材原位溅射进行石墨烯生长，通过改变沉积时间控制沉积厚度，沉积时间为30min，然后，磁体以15℃/min速度冷却后得到多层石墨烯薄膜，获得试样C2。

按照GB/T 6569-1986工程陶瓷弯曲强度试验方法和GB/T 4161-2007金属材料-平面应变断裂韧度KIC试验方法要求测试试样A2、B2、C2的抗弯强度和断裂韧性，结果如表2所示。

表2

试样	抗弯强度(MPa)	断裂韧性(MPa·m<sup>1/2</sup>)
			A2	268	3.16
B2	307	3.68
			C2	346	4.22

由表2中的结果可以看出，采用本实施例中制备的钕铁硼磁体，抗弯强度和断裂韧性显著高于常规磁体，并且通过优化工艺参数可以获得更优性能的磁体。

实施例3

本实施例中的高强度钕铁硼磁体制备步骤如下：

S1、将商业用钕铁硼磁体(状态：未充磁，牌号：N52)切成5×6×19(mm)的样块若干备用，将备用的样块进行除油、酸洗、水洗、吹干。其中，除油工艺为采用pH值为11、温度为70℃的NaOH溶液，除油15min；酸洗工艺为采用浓度为5％的硝酸，酸洗30s；然后，将酸洗后产品在蒸馏水中超声清洗3min；最后，将产品吹干，待用。标记为试样A3；

S2、将部分试样A3的表面电镀一层铜金属镀层，镀层厚度为15μm，并标记为试样B3；

S3、将部分试样B3烘干后置于磁控溅射设备中，作为基底材料置于磁控溅射装载台上，高纯石墨作为靶材，对系统进行抽真空至真空室的真空度为5×10^-4Pa，然后关闭真空系统，充入高纯氩气，流量为180sccm，对磁体进行加热至850℃，给靶材加载功率16kw，利用石墨靶材原位溅射进行石墨烯生长，通过改变沉积时间控制沉积厚度，沉积时间为30min，然后，磁体以15℃/min速度冷却后得到多层石墨烯薄膜，获得试样C3。

按照GB/T 6569-1986工程陶瓷弯曲强度试验方法和GB/T 4161-2007金属材料-平面应变断裂韧度KIC试验方法要求测试试样A3、B3、C3的抗弯强度和断裂韧性，结果如表3所示。

表3

试样	抗弯强度(MPa)	断裂韧性(MPa·m<sup>1/2</sup>)
			A3	268	3.16
B3	312	3.93
			C3	383	4.38

由表3中的结果可以看出，采用本实施例中制备的钕铁硼磁体，抗弯强度和断裂韧性显著高于常规磁体，并且通过优化工艺参数可以获得更优性能的磁体。

实施例4

本实施例中的高强度钕铁硼磁体制备步骤如下：

S1、将商业用钕铁硼磁体(状态：未充磁，牌号：45SH)切成5×6×19(mm)的样块若干备用，将备用的样块进行除油、酸洗、水洗、吹干。其中，除油工艺为采用pH值为11、温度为70℃的NaOH溶液，除油15min；酸洗工艺为采用浓度为5％的硝酸，酸洗90s；然后，将酸洗后产品在蒸馏水中超声清洗3min；最后，将产品吹干，待用。标记为试样A4；

S2、将部分试样A4的表面首先镀一层镍金属层，厚度为5μm，再电镀一层铜金属镀层，镀层厚度为20μm，并标记为试样B4；

S3、将部分试样B4烘干后置于磁控溅射设备中，作为基底材料置于磁控溅射装载台上，高纯石墨作为靶材，对系统进行抽真空至真空室的真空度为7×10^-3Pa，然后关闭真空系统，充入高纯氩气，流量为300sccm，对磁体进行加热至900℃，给靶材加载功率20kw，利用石墨靶材原位溅射进行石墨烯生长，通过改变沉积时间控制沉积厚度，沉积时间为60min，然后，磁体以30℃/min速度冷却后得到多层石墨烯薄膜，获得试样C4。

按照GB/T 6569-1986工程陶瓷弯曲强度试验方法和GB/T 4161-2007金属材料-平面应变断裂韧度KIC试验方法要求测试试样A4、B4、C4的抗弯强度和断裂韧性，结果如表4所示。

表4

试样	抗弯强度(MPa)	断裂韧性(MPa·m<sup>1/2</sup>)
			A4	256	3.08
B4	342	3.85
			C4	403	4.06

由表4中的结果可以看出，采用本实施例中制备的钕铁硼磁体，抗弯强度和断裂韧性显著高于常规磁体，并且通过优化工艺参数可以获得更优性能的磁体。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高强度钕铁硼磁体，其以钕铁硼磁体作为母材基体，在所述钕铁硼磁体的表面设有金属镀层，所述金属镀层包括至少一层金属单质镀层，其特征在于，所述金属镀层上还设有石墨烯薄膜层。

2.如权利要求1所述的高强度钕铁硼磁体，其特征在于，所述金属镀层的总厚度为5-20μm。

3.如权利要求1所述的高强度钕铁硼磁体，其特征在于，所述石墨烯薄膜层的厚度为5-10μm。

4.如权利要求1所述的高强度钕铁硼磁体，其特征在于，所述金属单质包括铜、镍、锡中的一种。

5.如权利要求1所述的高强度钕铁硼磁体，其特征在于，所述金属单质镀层为电镀层。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的高强度钕铁硼磁体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将钕铁硼磁体的表面预处理清洗后，作为母材基体；

S2、在所述母材基体的表面镀覆金属镀层，得到基底材料，所述金属镀层由至少一层金属单质镀层构成；

S3、在所述基底材料的表面原位溅射形成石墨烯薄膜，得到高强度钕铁硼磁体。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述预处理清洗包括除油、酸洗、水洗、烘干。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述除油的步骤为：置于温度为60-70℃、pH值为10~11的NaOH溶液中除油时间为13~15min；

所述酸洗的具体步骤为：置于质量浓度为3%~5%的硝酸，酸洗30~90s；

所述水洗为超声水洗。

9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中原位溅射为磁控溅射，所述磁控溅射的具体步骤为：在真空条件下，对所述基底材料进行加热后，以高纯石墨作为靶材，氩气作为溅射气体，利用石墨靶材原位溅射进行所述基体材料表面的石墨烯生长，待所述基底材料冷却后得到石墨烯薄膜。

10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射的具体工艺参数为：真空度5×10^-3~5×10^-4Pa，所述氩气的流量为120~300sccm，所述靶材的溅射功率为1~20kw，溅射时间为20~60min，所述加热的温度500~900℃，所述冷却的速度为10~30℃/min。