CN112825279A - 复合磁体和制造复合磁体的方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了“复合磁体和制造复合磁体的方法”。一种复合永磁体，包括由压实的粉末材料形成的第一硬磁层和由板材材料形成的施加在所述第一硬磁层之上的软磁层。所述复合永磁体还包括形成在所述软磁层之上的第二硬磁层。所述第一硬磁层、所述软磁层和所述第二硬磁层的组合限定所述复合永磁体内的各向异性分层内部结构。

Description

复合磁体和制造复合磁体的方法

技术领域

本公开涉及一种具有硬磁相和软磁相的复合永磁体。

背景技术

永磁体因持久的永磁磁通而具有广泛应用。稀土永磁体(诸如Nd-Fe-B或Sm-Co永磁体)包括稀土元素，所述稀土元素表现出出色的硬磁性能，这通过高矫顽力、高磁通密度以及因此高能量密度来证明。常规Sm-Co和Nd-Fe-B磁体因天然产状低而成本高昂并具有有限磁性能改进能力。

一种用于改进Sm-Co和Nd-Fe-B永磁体的磁性能的方法是添加软磁相，诸如Fe和/或Fe-Co。软磁相具有高磁通密度，这增加了最终磁体的剩磁，并且因此改进了所得的能量积应用。常规复合磁体是通过将软磁相添加到NdFeB或SmCo中形成的，然而这些磁体无法实现超过常规烧结的Nd-Fe-B磁体的磁性能，因为尽管增强了剩磁，但却牺牲了矫顽力。

另一种用于将软磁相添加到硬磁相中的方法包括使用纳米复合技术，诸如熔体纺丝、球磨或其他类似的技术。在根据这些方法制备的磁体中，软磁相的晶粒粒度极小(即，小于100nm)。

发明内容

一种复合永磁体包括由硬磁材料形成的多个第一层和由软磁整体板材材料形成的多个第二层。所述第二层中的每一个在两个不同的第一层之间交错，并且所述第一层中的每一个由压实的硬磁颗粒粉末形成。

一种复合永磁体包括由压实的粉末材料形成的第一硬磁层和由板材材料形成的施加在所述第一硬磁层之上的软磁层。所述复合永磁体还包括形成在所述软磁层之上的第二硬磁层。所述第一硬磁层、所述软磁层和所述第二硬磁层的组合限定所述复合永磁体内的各向异性分层内部结构。

一种形成复合永磁体的方法包括提供硬磁晶粒粉末以形成第一层以及施加软磁材料的板材材料以形成施加在所述第一层之上的第二层。所述方法还包括提供硬磁晶粒粉末以形成施加在所述第二层之上的第三层。组合所述第一层、所述第二层和所述第三层中的每一者，使得所述软磁材料在两个相邻的硬磁材料层之间交错。

附图说明

图1是描绘具有不同晶粒粒度的相应的软磁相的复合磁体的磁滞曲线的曲线图。

图2是具有交替的磁相层的示例性复合永磁体的示意图。

图3是具有交替的磁相层的另一示例性复合永磁体的示意图。

图4A是描绘形成复合永磁体的示例性方法的组装阶段的示意图。

图4B是描绘形成复合永磁体的示例性方法的热压实阶段的示意图。

图4C是描绘形成复合永磁体的示例性方法的热变形阶段的示意图。

图5是示出形成复合永磁体的示例性方法的流程图。

图6是描绘形成复合永磁体的增材制造示例性方法的示意图。

图7是具有交替的磁相层的另一示例性复合永磁体的示意图。

图8是具有混合磁相的网络结构的示例性复合永磁体的示意图。

图9是描绘具有和不具有围绕相应的软磁相设置的非磁性涂层的复合磁体的磁滞曲线的曲线图。

图10是示出形成复合永磁体的另一示例性方法的流程图。

具体实施方式

本文中描述了本公开的实施例。然而，应理解，所公开的实施例仅仅是示例并且其他实施例可以呈现各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应被解释为是限制性的，而仅是解释为教导本领域技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解，参考附图中的任一附图示出和描述的各个特征可与在一个或多个其他附图中示出的特征组合以产生未明确地示出或描述的实施例。所示特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，对于特定应用或实现方式，可能期望与本公开的教导一致的对特征的各种组合和修改。

此外，除非另有明确指示之处，否则在描述本公开的更广范围时，本公开中的所有数值量应理解为由字词“约”修饰。在所陈述的数值极限内的实践通常是优选的。而且，除非明确相反地陈述，否则结合本公开通过“对于给定目的合适或优选”对一组或一类材料进行描述暗示该组或该类中的任何两个或更多个成员的混合物可同样地是合适或优选的。

某些铁磁性材料在单一方向上强加的磁场被移除之后没有完全返回到零磁化。磁体在零驱动磁场的情况下保持的磁化量在本文中称为剩磁。磁化必须由相反方向上的场驱动回到零。使磁体消磁所需的这个反向驱动场的量被称为其矫顽力。如果将交变磁场施加到材料，则其磁化将描绘出称为磁滞回线的回线。缺乏磁化的可回缩性证明了磁体中的磁滞特性。此特性可以被认为是磁性“存储器”。下文更详细地讨论，一些铁磁性材料组合物无限期地保持强加的磁化并且可用作“永磁体”。

用于制造永磁体的具有高剩磁和高矫顽力的材料可被称为“硬磁的”。此类材料可与形成非永磁磁性部件的“软磁”材料(例如，变压器芯和电子器件的线圈)形成对比。硬磁材料一旦被磁化就保持其磁特性并且难以消磁。相反，软磁材料相对容易消磁，并且一旦移除施加的磁场，许多软磁材料就将开始消磁。

硬磁材料的较高矫顽力使得它们适用于可能不期望施加的磁场使它们消磁的情况。因此，硬磁材料适合用作永磁体(例如，在电机的转子中)，其中它们保持磁性设计的最佳效用。为了改进磁性能(诸如复合永磁体的剩磁和能量积)，至少一个硬磁相(例如，Nd-Fe-B或Sm-Co)在多个对齐的软磁相(例如Fe和/或Fe-Co)之间交错。硬磁相与软磁相之间的交替层减少了所需的硬磁材料的量，从而在不牺牲电磁性能的情况下降低了永磁体的总成本。

参考图1，曲线图100描绘了根据本公开的复合永磁体的磁特性。更具体地，曲线图100描绘了作为驱动磁场强度H函数的以磁化M的形式绘制的磁滞回线。横轴102表示驱动磁场强度H(例如，以kA/m或Oe表示)。竖轴104表示永磁体的磁化J(例如，以特斯拉或高斯表示)。曲线106表示具有大软相颗粒(例如，大于约50nm)的永磁体的磁滞曲线，所述永磁体在硬磁相与软磁相之间具有解耦相互作用。曲线108是表示织构化磁性材料的性能的理想化曲线，所述织构化磁性材料可能难以以大晶粒粒度形成。如果以较小晶粒粒度实现严格地控制的微结构，则会生成良好的矩形比，如曲线108示意性地所示。M-H曲线的平滑度还示出了硬磁相与软磁相之间的耦合，因为对齐严重影响常规永磁体的性能。

将软磁相注入永磁体中导致永磁体的磁性能劣化(即，显著降低的矫顽力和剩磁)。另外，弯折的M-H曲线使得马达应用不可能。例如，当软相的平均晶粒粒度大于20nm至50nm，如曲线106所表示时，磁滞回线将显示起伏或弯折，如曲线图100的曲线106所示，这指示在硬磁相与软磁相之间缺乏足够的耦合。一种用于实现具有可接受的磁特性的复合磁体的解决方案是将软磁相的晶体晶粒粒度减小到纳米级，即数十纳米。典型的工艺是球磨碾磨、熔体纺丝。

制成永磁体的合金可能难以以冶金方式处理。因此，产生纳米级晶粒的过程对于生产高性能磁体来说可能不实际。也就是说，材料可以是机械硬且易碎的。可以将材料铸造，然后研磨成一定形状，或者最初研磨成粉末，并且随后形成所需的形状。在粉末阶段期间，材料可以与或不与树脂粘结剂混合，在强磁场存在下压缩，并进行热处理。材料的最大各向异性是期望的，因此最终材料通常进行热处理。被配置用于电动马达应用的永磁体可以是实心烧结磁体或粘结磁体。而且，稀土永磁体可能适用于马达应用，但通常带来更高的成本。根据本公开的各方面，可能期望在不损害电机的磁性能的情况下减少稀土磁体含量。

参考图2，示意图描绘了根据本公开的永磁体200的示例性组成。永磁体200包括在多个软磁性204之间交错的多个硬磁层202。硬磁层202的材料可以是但不限于NdFeB、SmCo₅、MnBi、Sm-Fe-C或其他合适的永磁体材料或化合物，或它们的组合。软磁层204的材料可以是但不限于Fe、Co、FeCo、Ni或它们的组合。在一些示例中，软磁层也可包括半硬磁相，诸如但不限于Al-Ni-Co、Fe-N、L10材料、Mn-Al、Mn-Al-C、Mn-Bi或其他类似的材料。在另外的示例中，硬磁相可包括材料的组合，诸如但不限于Nd-Fe-B+a-Fe(Co)的复合物，并且可包括可调整含量的Fe(Co)、SmCo+Fe(Co)、非共析SmCo、NdFeB合金或其他类似的材料。在另外的示例中，位于成品复合永磁体200的外表面附近的硬磁层相对于成品磁体的中心部分附近的硬磁层具有不同的电磁特性。换句话说，第一硬磁层设置在复合磁体的第一部分处，并且具有独特电磁特性的第二硬磁层设置在复合磁体的第二部分处。在图2的示意图的上下文中，硬磁中心层208相对于硬磁外层210、212可具有不同的电磁特性。

软磁层204与硬磁层202结合，使得所述层在硬磁层与软磁层之间交替。所述层可通过任何数量的方法接合，例如诸如通过粘合剂彼此粘结或通过烧结接合。与此配置相关，软磁层的厚度可以比纳米级厚，但仍然提供期望的永磁体性能。在一些示例中，相对于与传统复合磁体相关联的纳米级粒度的颗粒，软磁性可以具有显著更大的层厚度。更具体地，软磁层可以提供亚微米、微米或甚至亚毫米厚度的合适性能。这种较大的粒度降低了制造成本并且允许替代制造方法。然而，虽然通过示例的方式提供了示例性厚度，但是应注意，单独层可以具有与亚毫米一样大的亚微米级的任何合适的厚度和/或晶粒粒度。

箭头206示意性地表示硬磁层的晶体织构(即，每个硬磁层晶粒的c轴对齐)。由箭头206表示的线也可被称为易磁化轴或硬磁相的磁化方向。在一些示例中，软磁层204还具有晶体织构。由于由软磁相提供的高磁通，如图1中的磁滞回线所描绘的，可改进所得的永磁体的饱和极化和剩磁。另外，由于软磁层的尺寸增加，可生产具有硬磁相和软磁相的复合磁体，其中织构得到改进，这在常规纳米复合永磁体中是无法实现的。根据一些示例，硬磁层和软磁层的组合形成整个成品复合磁体的各向异性内部结构。

如本文所用，平均晶粒粒度可互换地称为“晶粒粒度”，并且被定义为晶体的最小尺寸(例如，球体的平均直径等)。将晶粒粒度和形状控制到期望的配置可在成品永磁体中提供改进的磁性能。类似地，硬磁层的单独材料晶粒的形状可包括但不限于卵形或椭圆形形状和/或薄片形状。软磁晶粒还可包括矩形形状和卵形形状的混合物，或包括单一类型形状的所有晶粒。在一些示例中，硬磁相包括具有球形形状的晶粒，其具有小于伸长晶粒的宽度的直径。晶粒的形状可以多种方式影响性能，诸如但不限于改进晶粒边界、提供高织构区域、提供造成晶粒伸长的磁性美学相互作用。

为了改进硬磁相与软磁相之间的耦合以及改进层的均匀性，软磁相的形状被提供为整体层。软磁层204在图中被描绘为具有完全平坦、均匀的矩形形状，但是可设置有任何合适的形状。例如，板材材料可以具有在板材材料中预先形成的波状形状和/或其他几何形状图案。

软磁层204的厚度不一定是纳米级的。也就是说，在不牺牲磁性能的情况下，软磁层可设置有亚微米厚度、多微米厚度或甚至亚毫米厚度。与现有技术相比，可使用更简单的制造技术来实现生产这种类型的各向异性复合磁体的工艺。在下文更详细地讨论，烧结工艺、热变形工艺和增材制造工艺(即，“3D打印”)都可以是制造根据本公开的永磁体的合适的替代方案。根据一些替代示例，将硬磁层202压实和预烧结，之后将所述硬磁层(例如，烧结的磁体)组装到软磁层204(例如，整体板材材料)。根据其他替代示例，软磁层204可由半硬磁材料或甚至具有期望特性的不同类型的硬磁材料形成。

参考图3，通过在压实之后烧结多个层来形成复合磁体300。硬磁层302由施加在软磁层304中的每一个之间的粉末状材料306形成。烧结可将单独层彼此粘结，而无需另外的粘结机构。在一些替代方案中，可在每一层处涂覆诸如胶水、环氧树脂或其他粘结介质的粘合剂材料，以将粉末状材料306粘附到相邻层。可通过在每个相邻层处的层类型之间交替来施加层中的每一个。粉末状材料306的单独晶粒在图3中被描绘为球形，但是可在压实期间形成形状，以在成品永磁体300中变得更平坦且更具长圆形。此外，可在制造期间沿着由箭头308表示的方向施加压力和磁场两者，以诱导期望的晶体结构。在室温下压实以固结粉末状材料306之后，可烧结复合磁体300以完成层之间的粘结。

共同参考图4A至图4C，通过热变形形成复合磁体400。硬磁薄片402以交替方式施加在软磁层404之间。一旦被处理，包括硬磁薄片402的区域就形成硬磁层406。此外，硬磁薄片402的晶粒形状是伸长形状，诸如但不限于椭圆形形状、矩形形状或分层形状。类似于上面讨论的示例，硬磁层的晶粒可在未被处理时最初被提供为具有不同的晶粒形状(例如，球形)，然后在变形期间变平。

具体参考图4B，层404和406经由热压实而组合，以固结复合磁体400的粉末状部分。根据一些示例，在闭合模具408中在诸如上面参考图4A描述的分层材料柱上施加压力，所述分层材料包括硬磁薄片402的松散金属颗粒。压力由布置成沿着箭头412的方向前进的柱塞410施加。当金属粉末在闭合模具408内被压制时，它们通常可在所施加压力的方向上流动。闭合模具408还包括在压实期间保持复合磁体400的横向部分的侧壁414。

在图4B的压实过程期间还施加了热量，从而改进了用于成形的材料的延展性。当在模具408中时，并且在压实期间，将硬磁层406和软磁层404加热到一定温度(例如，600℃至850℃)，高于所述温度，材料不再保持加工硬化的。在受控条件下进行热压还提供了优点，因为热量通常会降低使粉末状材料完全固结所需的压力，并且由于粉末中的任何间隙而降低孔隙率。软磁层还可符合以填充任何间隙或符合相邻层中的形状不规则性。

参考图4C，施加热变形以进一步发展复合磁体400的织构并改进其各向异性特性。热变形使织构发展为期望的微结构。硬磁部分和/或软磁部分的单独晶粒可变成垂直于变形压制方向定向。复合磁体400的工件可被转移到第二变形模具416，所述第二变形模具416被配置为引起晶粒变形过程。柱塞418沿着方向412前进以使复合磁体400变形。热变形模具416被设置为不具有侧壁，以允许复合磁体400在其沿着箭头412的方向被压缩时横向扩张。通过图4B和图4C的示意图所示，复合磁体从图4B中的高度h1塑性变形到图4C中的减小的高度h2。在某些替代示例中，可应用反挤压工艺来生产环形复合磁体。

参考图5，流程图500表示形成具有硬磁相和软磁相的永磁体的方法。在步骤502处，提供预定体积的硬磁相的薄片或粉末。可通过任何合适的技术(诸如但不限于熔体纺丝)来制备硬磁相的薄片或粉末以实现具有小晶粒粒度的初始硬磁相。通过在硬磁相中利用小晶粒粒度，可在后续处理步骤期间更好地控制期望的晶粒生长。根据硬磁相呈粉末形式的一些示例，粉末可以是具有纳米级晶粒粒度的HDDR粉末。硬磁相可以是但不限于Nd-Fe-B和Sm-Co。在其他示例中，硬磁颗粒可包括预定比例的富含稀土的颗粒。

在步骤504处，提供软磁相。软磁相可作为具有期望厚度的整体层施加。所述相可由固体层材料或替代地由粉末层组成。在粉末层的情况下，粉末将由于热压实和/或变形而形成固体层。根据一些示例，厚度是基于成品复合磁体的期望的最终特性来设计。由于磁体的交替构造，软磁层的厚度可更厚，例如从亚微米至毫米级。更具体地，软磁层的厚度可以是0.1微米、1微米、0.1mm、0.5mm、1.0mm或更大。而且，软磁层可以是但不限于Fe、Co或Fe-Co。在一些替代示例中，软磁层可替代地由半硬磁材料或甚至具有期望特性的不同类型的硬磁材料形成。

在步骤506处，以交替的方式将来自步骤502的硬磁相的粉末或薄片施加到来自步骤504的软磁相的整体层。也就是说，硬磁粉末或薄片在软磁层之间交错。

在步骤508处，将预组装的复合磁体放置在模具中并进行热压实以固结粉末状部分和交错的软磁层，以及实现期望的整体磁体形状。可通过温度、压制时间和压制压力来控制在步骤508处的热压实，其中每个参数可取决于其他参数。例如，在一些实施例中，在温度可以是550℃至800℃的情况下，压制时间可以是5分钟至30分钟，并且压力可以是100MPa至2GPa。

在步骤510处，使压实的磁体热变形以引发期望的微结构。如上所述，粉末状层的单独晶粒可形成为期望的形状和取向。可通过温度、时间、压力和变形速度来控制热变形步骤510。例如，在一些实施例中，温度可以是600℃至850℃，压制可以是5分钟至60分钟，并且压力可以是100MPa至1 GPa。因此，变形速度由压力增加速度或压力机滑块或柱塞的位移速度控制。通过热压实和热变形工艺，在步骤512处可形成硬磁相的晶体微结构织构。

参考图6，示意性地表示另外的示例性复合磁体600。复合磁体被示出为部分剖开的，以便描绘用于形成交错层的构造。在图6的情况下，使用增材制造形成复合磁体。在一些示例中，可使用粉末床熔融(PBF)技术来烧结粉末状材料。在特定示例中，PBF可用于各种增材制造工艺中，包括例如直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光烧结(SLS)、选择性热烧结(SHS)、电子束熔化(EBM)和直接金属激光熔化(DMLM)。另外，板材叠片可与增材制造工艺结合应用。这些系统使用激光、电子束、热打印头或其他加热介质来在三维空间中熔化或部分熔化超细材料层。当每个工艺结束时，可从物体上清除任何过量的粉末。利用增材制造工艺的一个优点是能够创建复杂的设计，所述复杂的设计包括昂贵、困难或甚至不可能使用传统模具、模子、铣削和机械加工来构造的复杂特征。

与先前实施例类似，第一硬磁层602由预定体积的颗粒形成。然而，在图6的示例中，通过将粉末状复合材料放置在增材制造床606上来固化颗粒。激活激光器608以部分熔化粉末状复合材料以致使产生固体组分。然后通过在先前层上顺序地添加层来构建三维结构。每个连续层粘结到先前的熔化或部分熔化的材料层。

一旦将第一硬磁层602构建到期望的厚度，就施加软磁层604。软磁层604可以是类似于先前示例的整体板材状材料。可以持续的方式提供合适的板材材料，诸如从位于增材制造工作站处的一卷板材材料分配。在激活激光器以至少部分地熔化软磁层604之前，可将板材分配、放置、切割并粘附到前一层以及其他制备步骤。然后激活激光器以烧结软磁层604并将其粘结到先前形成的第一硬磁层602。在替代示例中，软磁层中的一个或多个可作为具有期望的软磁特性的粉末或其他微粒来施加，其中激光固化前一硬磁层顶上的每个软磁层。

一旦完全施加软磁层604，就可通过将粉末状复合材料定位在最顶层上并且再次激活激光器608以烧结粉末并将其粘结到交错的软磁层604来施加第二硬磁层610。可重复此过程，在硬磁材料与软磁材料之间交替，以提供具有期望磁特性的微结构。在一些示例中，一旦复合磁体600达到期望的总体积，就可例如在施加或不施加影响复合磁体600的极性的取向的外部磁场的情况下使用例如热变形对工件进行后处理。

参考图7，示意性地描绘了另外的示例性复合磁体700。类似于先前的示例，复合磁体700包括在硬磁层706与软磁层704之间交替的组合物。硬磁层706中的每一个可由预定体积的粉末、薄片或其他硬磁材料微粒形成。硬磁层706可从磁性粉末烧结或经由热压实而固结，并且层706的内部织构可经由热变形形成为期望的织构。同样类似于先前的示例，硬磁相的各向异性方向可能受到处理技术的影响，所述处理技术包括例如热变形工艺和/或在制造复合磁体期间施加磁场。根据图7的示例，复合磁体700的易磁化轴由箭头708的方向指示。

软磁层704中的每一个包括涂覆到外表面的外涂层710。通过引入外接软磁层704的薄涂层，可抑制或推迟硬磁相706的消磁过程。因此，成品复合磁体的矫顽力可得以改进。外涂层部分710由非磁性材料(诸如碳(C)或金属(诸如Cu、Al)等)形成。在一些示例中，外涂层710的厚度非常薄，诸如几纳米。

参考图8，示意性地描绘了另外的示例性复合磁体800。在图8的示例中，复合磁体800由网络结构而不是严格的交替层形成。复合磁体800包括软磁相804和硬磁相806。硬磁相806可以是但不限于NdFeB、SmCo₅、MnBi、Sm-Fe-C或其他合适的永磁体材料或化合物，或它们的组合。软磁相804可以是但不限于Fe、Co、FeCo、Ni或它们的组合。在一些实施例中，软磁相可以是半硬磁相，诸如但不限于A1-Ni-Co、Fe-N、L10材料、Mn-Al、Mn-Al-C、Mn-Bi或其他类似的材料。另外，在一些实施例中，硬相可包括材料的组合，诸如但不限于Nd-Fe-B+a-Fe(Co)的复合物，并且可包括可调整含量的Fe(Co)、SmCo+Fe(Co)、非共析SmCo、NdFeB合金或其他类似的材料。软磁相804结合到硬磁相806中，使得软磁相804的平均晶粒粒度大于常规永磁体。图8的硬相中的箭头808示意性地示出了硬磁相的晶体织构(即，硬磁相晶粒的c轴对齐)。

根据一些示例，硬磁相806的晶粒粒度可以是10nm至100μm，在一些实施例中是50nm至50μm，并且在其他实施例中是75nm至25μm。尽管提供了示例性范围，但是应注意，硬磁相可具有在数十纳米至数十微米级的任何合适的晶粒粒度。软磁相804的晶粒粒度和形状在最终永磁体中提供了改进的磁性能。为了在硬磁相与软磁相之间实现良好的耦合，软磁相804的形状可以是伸长形状，诸如但不限于椭圆形形状、不规则的薄片状形状、矩形形状或分层形状。在某些示例中，软磁相晶粒的晶粒粒度是至少50nm，在其他实施例中是50nm至1000nm，并且在又一些实施例中是至少75nm。在另外的示例中，软磁相804包括这样的晶粒，所述晶粒的平均晶粒高度H1是约20nm至500nm，在一些实施例中是约30nm至200nm，并且在其他实施例中是约50nm至500nm。另外，软磁相包括这样的晶粒，所述晶粒的平均晶粒宽度W₁是至少50nm，在一些实施例中是至少100nm，并且在其他实施例中是100nm至1000nm。

单独晶粒的形状可以多种方式影响性能，诸如但不限于改进晶粒边界、提供高织构区域、提供造成晶粒伸长的磁性美学相互作用。软磁相804被示出为矩形形状，但是可以是任何合适的形状，诸如但不限于卵形或椭圆形形状810、分层形状(上文所讨论的)或薄片形状(未示出)。软磁晶粒可包括矩形形状(诸如针对软磁相804所描述的那些)和卵形或椭圆形形状810的混合物，或包括单一形状的所有晶粒。在一些示例中，软磁相804最初包括球形形状的晶粒，其具有小于伸长晶粒的宽度的直径。上面也讨论过，球形形状可形成为在热变形期间变得伸长。例如，直径可小于约500nm，并且在其他示例中，直径可小于约250nm。在某些示例中，软磁晶粒的伸长形状可用晶粒的纵横比来表征，所述纵横比是晶粒宽度(W)(或长度)与晶粒高度(H)的比率。在特定示例中，软磁相限定大于2∶1的晶粒纵横比，并且在另外的示例中，晶粒纵横比可大于10∶1。

软磁相804还包括围绕单独晶粒中的每一个形成的非磁性外涂层812。非磁性涂层可由例如非金属材料形成。根据图8的示例，外涂层812外接软磁相804的每个晶粒。如上所讨论，在软磁层804上引入薄涂层可帮助推迟硬磁相806的消磁过程。非磁性涂层还可有助于减少高频马达操作期间的涡流损耗。

参考图9，曲线图900描绘了根据本公开的复合永磁体的磁特性。曲线图900描绘了作为驱动磁场强度H函数的以磁化M的形式绘制的磁滞回线。横轴902表示驱动磁场强度H(例如，以kA/m或Oe表示)。竖轴904表示永磁体的磁化J(例如，以特斯拉或高斯表示)。曲线906表示具有未涂覆的软磁相颗粒的永磁体的磁滞曲线。曲线908是表示具有涂覆的软磁相的复合磁体的性能的理想化曲线。对应于曲线908的样本相对于具有对应于曲线906的未涂覆的软磁相的样本表现出大约20％的改进的矫顽力。

参考图10，流程图1000表示形成具有硬磁相和涂覆的软磁相的永磁体的方法。在步骤1002处，提供预定体积的硬磁相的薄片或粉末。可通过任何合适的技术(诸如但不限于熔体纺丝)来制备硬磁相的薄片或粉末以实现具有小晶粒粒度的初始硬磁相。通过在硬磁相中利用小晶粒粒度，可在后续处理步骤期间更好地控制期望的晶粒生长。根据硬磁相呈粉末形式的一些示例，粉末可以是具有纳米级晶粒粒度的HDDR粉末。硬磁相可以是但不限于Nd-Fe-B和Sm-Co。在其他示例中，硬磁颗粒可包括预定比例的富含稀土的颗粒。

在步骤1004处，提供软磁相。软磁相可作为具有期望厚度的整体层施加，或者替代地，软磁相可作为颗粒提供。在另外的示例中，软磁层可替代地由半硬磁材料或甚至具有期望特性的不同类型的硬磁材料形成。

在步骤1006处，软磁相的材料(无论是以颗粒还是以板材材料提供)在与硬磁材料组合之前涂覆。如上所讨论，涂层可以是任何合适的非磁性材料，诸如碳或金属(诸如Cu、Al)等。

在步骤1008处，将软磁材料与硬磁材料组合。如上所述，软磁相可提供为在硬磁相的层之间交错的整体层。在其他示例中，软磁材料和硬磁材料都作为粉末或薄片提供。在此示例中，材料以预定比率在粉末状态下混合。

在步骤1010处，将预组装的复合磁体放置在模具中并进行热压实以固结粉末状部分和交错的软磁层，以及实现期望的整体磁体形状。如上所讨论，可通过温度、压制时间和压制压力来控制在步骤1010处的热压实，其中每个参数可取决于其他参数。

在步骤1012处，使压实的磁体热变形以引发期望的微结构。如上所述，粉末状层的单独晶粒可形成为期望的形状和取向。可通过温度、时间、压力和变形速度来控制热变形步骤1012。通过热压实和热变形工艺，在步骤1014处可形成硬磁相的晶体微结构织构。

根据一些示例，复合永磁体包括在软磁层之间交错的硬磁相，其中在一些实施例中，软磁相的晶粒粒度可大于50nm。另外，硬磁相的晶粒形状可以是伸长形状，诸如但不限于卵形形状、椭圆形形状、分层形状、薄片状形状或球形形状(具有受控直径)。此外，复合永磁体形成为包括具有预定易磁化轴取向的各向异性织构。本公开的一个特定优点源自硬磁相的晶粒与软磁相的晶粒之间的粒度和形状差异。此外，硬磁相和软磁相的微结构提供了良好的耦合，从而改进了复合永磁体的性能，诸如剩磁和能量积。

在另外的示例中，复合永磁体包括软磁相，所述软磁相在与硬磁相组合之前设置有非金属涂层。在一些具体示例中，非金属相作为粉末或薄片提供。在其他示例中，软磁相被提供为整体板材材料。一旦组合，软磁相就经由涂覆到软磁相的部分的外涂层与硬磁相隔离。

尽管上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可做出各种改变。如先前所述，各种实施例的特征可组合以形成可能未明确描述或示出的本发明的另外的实施例。尽管各个实施例就一个或多个期望的特性而言可能已经被描述为提供优点或优于其他实施例或现有技术实现方式，但本领域技术人员应认识到，可折衷一个或多个特征或特性来实现期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实现方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，就一个或多个特性而言被描述为不如其他实施例或现有技术实现方式理想的实施例不在本公开的范围外，并且对于特定应用可为理想的。

根据本发明，提供了一种复合永磁体，其具有：多个第一层，所述多个第一层由硬磁材料形成；以及多个第二层，所述多个第二层由软磁材料形成，其中所述第二层中的每一个在两个不同的第一层之间交错，并且所述第一层中的每一个由压实的硬磁颗粒粉末形成。

根据一个实施例，所述多个第一层和所述多个第二层两者都具有晶体织构。

根据一个实施例，所述多个第一层由NdFeB、SmCo5、MnBi、Sm-Fe-C中的至少一者或它们的组合形成。

根据一个实施例，所述多个第二层由Fe、Co、FeCo、Ni中的至少一者或它们的组合形成。

根据一个实施例，所述多个第一层包括设置在所述复合永磁体的第一部分处的第一硬磁层和设置在所述复合永磁体的第二部分处的第二硬磁层，并且所述第一硬磁层相对于所述第二硬磁层提供独特的电磁特性。

根据一个实施例，所述第二层由整体板材材料形成。

根据一个实施例，所述第一层和所述第二层的组合形成各向异性内部结构。

根据本发明，提供了一种复合永磁体，其具有：第一硬磁层，所述第一硬磁层由压实的粉末材料形成；软磁层，所述软磁层施加在所述第一硬磁层之上；以及第二硬磁层，所述第二硬磁层形成在所述软磁层之上，其中所述硬磁层、所述软磁层和所述第二硬磁层的组合限定所述复合永磁体内的各向异性分层内部结构。

根据一个实施例，所述第一硬磁层和所述第二硬磁层至少部分地由NdFeB、SmCo5、MnBi、Sm-Fe-C或它们的组合形成。

根据一个实施例，所述软磁层至少部分地由Fe、Co、FeCo、Ni或它们的组合形成。

根据一个实施例，所述第一硬磁层和所述第二硬磁层各自由不同的材料形成，使得所述层相对于彼此提供不同的电磁特性。

根据一个实施例，所述第一硬磁层和所述第二硬磁层各自包括在热变形期间至少部分地成形的伸长颗粒。

根据本发明，一种形成复合永磁体的方法包括：提供硬磁晶粒粉末以形成第一层；施加软磁材料的板材材料以形成施加在所述第-层之上的第二层；以及提供硬磁晶粒粉末以形成施加在所述第二层之上的第三层，其中所述软磁材料在两个相邻的硬磁材料层之间交错。

根据一个实施例，本发明的特征还在于：对所述第一层、所述第二层和所述第三层进行热压实以形成压块；以及使所述压块热变形以形成复合永磁体，其中伸长的硬磁晶粒嵌入在所述复合永磁体的内部织构内。

在本发明的一个方面，在约100MPa至2GPa的压力下以约550-800℃的温度进行热压实达约5分钟至30分钟的压制时间。

在本发明的一个方面，在约100MPa至1GPa的压力下以约600-850℃的温度进行热压实达约5分钟至60分钟的压制时间。

在本发明的一个方面，所述第一层、所述第二层和所述第三层通过粘合剂彼此粘结。

在本发明的一个方面，所述第一层、所述第二层和所述第三层通过烧结接合。

在本发明的一个方面，所述第一层在施加所述第二层之前被激光烧结，并且所述第二层在提供所述第三层之前被激光烧结。

在本发明的一个方面，所述方法包括在组装期间向所述第一层、所述第二层和所述第三层施加磁场，以促进所述复合永磁体的各向异性内部结构。

Claims (15)

1.一种复合永磁体，其包括：

多个第一层，所述多个第一层由硬磁材料形成；以及

多个第二层，所述多个第二层由软磁材料形成，其中所述第二层中的每一个在两个不同的第一层之间交错，并且所述第一层中的每一个由压实的硬磁颗粒粉末形成。

2.如权利要求1所述的复合永磁体，其中所述多个第一层由NdFeB、SmCo₅、MnBi、Sm-Fe-C中的至少一者或它们组合形成。

3.如权利要求1所述的复合永磁体，其中所述多个第二层由Fe、Co、FeCo、Ni中的至少一者或它们的组合形成。

4.如权利要求1所述的复合永磁体，其中所述多个第一层包括设置在所述复合永磁体的第一部分处的第一硬磁层和设置在所述复合永磁体的第二部分处的第二硬磁层，并且所述第一硬磁层相对于所述第二硬磁层提供独特的电磁特性。

5.如权利要求1所述的复合永磁体，其中所述第二层由整体板材材料形成。

6.一种复合永磁体，其包括：

第一硬磁层，所述第一硬磁层由压实的粉末材料形成；

软磁层，所述软磁层施加在所述第一硬磁层之上；以及

第二硬磁层，所述第二硬磁层形成在所述形成在所述软磁层之上，其中所述硬磁层、所述软磁层和所述第二硬磁层的组合限定所述复合永磁体内的各向异性分层内部结构。

7.如权利要求6所述的复合永磁体，其中所述第一硬磁层和所述第二硬磁层至少部分地由NdFeB、SmCo5、MnBi、Sm-Fe-C或它们的组合形成，并且所述软磁层至少部分地由Fe、Co、FeCo、Ni或它们的组合形成。

8.如权利要求6所述的复合永磁体，其中所述第一硬磁层和所述第二硬磁层各自由不同的材料形成，使得所述层相对于彼此提供不同的电磁特性。

9.一种形成复合永磁体的方法，其包括：

提供硬磁晶粒粉末以形成第一层；

施加软磁材料的板材材料以形成施加在所述第一层之上的第二层；以及

提供硬磁晶粒粉末以形成施加在所述第二层之上的第三层，其中所述软磁材料在两个相邻的硬磁材料层之间交错。

10.如权利要求9所述的方法，其还包括：

对所述第一层、所述第二层和所述第三层进行热压实以形成压块；以及

对所述压块进行热变形以形成复合永磁体，其中伸长的硬磁晶粒嵌入在所述复合永磁体的内部织构内。

11.如权利要求10所述的方法，其中在约100MPa至2GPa的压力下以约550-800℃的温度进行热压实达约5分钟至30分钟的压制时间。

12.如权利要求10所述的方法，其中在约100MPa至1GPa的压力下以约600-850℃的温度进行热压实达约5分钟至60分钟的压制时间。

13.如权利要求9所述的方法，其中所述第一层、所述第二层和所述第三层通过粘合剂彼此粘结。

14.如权利要求9所述的方法，其中所述第一层、所述第二层和所述第三层通过烧结接合。

15.如权利要求9所述的方法，其中所述第一层在施加所述第二层之前被激光烧结，并且所述第二层在提供所述第三层之前被激光烧结。

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