磁穩(wěn)定性永磁材料穩(wěn)定性

影響永磁穩(wěn)定性的外界條件有許多種，其中主要是溫度、時(shí)間、外磁場(chǎng)、化學(xué)腐蝕、輻射、機(jī)械振動(dòng)或撞擊等因素。外界條件的變化主要引起磁性能兩方面的變化：一種是磁疇結(jié)構(gòu)的變化，這種變化是可逆的，即是可恢復(fù)的；另一種是永磁體組織結(jié)構(gòu)的變化，這種變化是不可恢復(fù)的。一般情況下，外界影響導(dǎo)致磁性能的變化都可能包括這兩種變化。對(duì)于釹鐵硼永磁材料，我們?cè)谑褂弥凶铌P(guān)心的是溫度穩(wěn)定性、時(shí)間穩(wěn)定性、外磁場(chǎng)穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性。

數(shù)值變化小的說(shuō)明它的磁穩(wěn)定性強(qiáng)，數(shù)值變化大的說(shuō)明它的磁穩(wěn)定性弱。只有磁穩(wěn)定性強(qiáng)的巖石才適用于古地磁研究。鑒定巖石磁穩(wěn)定性，有野外方法和實(shí)驗(yàn)室方法，前者是通過(guò)檢查方位變動(dòng)后的巖層或巖塊各部位的剩余磁化強(qiáng)度在空間的取向來(lái)確定。如果剩余磁化強(qiáng)度的空間取向與巖石變動(dòng)的方向一致時(shí)，則說(shuō)明巖石的磁穩(wěn)定性強(qiáng)。這是一種定性的方法，不能準(zhǔn)確地、定量地鑒定巖石的磁穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)室鑒定，是使巖石的標(biāo)本經(jīng)受一些人為的影響后，根據(jù)它的磁化強(qiáng)度的變化程度，確定它的磁穩(wěn)定性。

當(dāng)釹鐵硼永磁體工作環(huán)境的溫度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，磁體的磁通量Φ（TotalFlux）都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,如下圖示:

我們用剩磁可逆溫度系數(shù)αBr、Hcj溫度系數(shù)βHcj和磁通不可逆損失hirr來(lái)衡量釹鐵硼磁性能隨溫度而發(fā)生的變化。

磁穩(wěn)定性剩磁溫度系數(shù)

剩磁可逆溫度系數(shù)αBr：當(dāng)工作環(huán)境溫度自室溫T0升至溫度T1時(shí)，釹鐵硼的剩磁Br也從B0降至B1；當(dāng)環(huán)境溫度恢復(fù)至室溫時(shí)，Br并不能恢復(fù)到B0，而只能到B0'。此后當(dāng)環(huán)境溫度在T0和T1間變化時(shí)（假設(shè)變化量不是很大），Br的變化是線性可逆的。

同理，我們可以得出內(nèi)稟矯頑力Hcj的溫度系數(shù)βHcj如下：

溫度系數(shù)α和β所衡量的只是磁性能的可逆變化，即是恢復(fù)溫度即可恢復(fù)磁性能。

磁穩(wěn)定性磁通公式

現(xiàn)實(shí)中我們更常見到的是不可逆轉(zhuǎn)的變化，特別是在磁體開路狀態(tài)下測(cè)試其磁通量（TotalFlux）隨溫度變化至T1而產(chǎn)生的不可恢復(fù)的相對(duì)變化量，我們稱之為溫度T1下磁通的不可逆損失hirr，公式為：

從使用的角度看，是希望αBr、βHcj和hirr都是越小越好。但事實(shí)上在開路狀態(tài)下，對(duì)于特定工作點(diǎn)（即磁體元件的尺寸和形狀）的NdFeB磁體，其αBr較高，一般為-0.11-0.12%/℃；βHcj也較高，一般為-0.6-0.7%/℃（但其與溫度段有直接關(guān)系）。那么對(duì)于αBr和βHcj何者更重要呢？這取決于工作點(diǎn)的選擇，如果磁體的工作點(diǎn)較高，即B/H>>1時(shí)αBr起主要的影響作用，而當(dāng)B/H<<1時(shí)βHcj對(duì)磁場(chǎng)的穩(wěn)定性起主要影響作用。而對(duì)于磁通的不可逆損失hirr，通常要求>1，在該磁體材料允許使用的最高溫度下，該磁體的hirr應(yīng)≤5%.比如33SH性能標(biāo)準(zhǔn)塊（2″×2″×1″）在恒溫150℃×1小時(shí)后恢復(fù)至常溫，其hirr<5%.

當(dāng)外界溫度自室溫上升，磁性能初始的損失是可逆的，恢復(fù)溫度即可恢復(fù)磁性能；其后包括了不可逆但可恢復(fù)的損失，也就是說(shuō)此時(shí)的磁性能損失雖不能通過(guò)恢復(fù)溫度來(lái)挽回，但通過(guò)再充磁還是可以恢復(fù)的；若溫度升至磁體的居里溫度以上時(shí)，磁體的組織結(jié)構(gòu)遭到不可恢復(fù)的破壞，即為不可逆且不可恢復(fù)的磁性能損失。

磁穩(wěn)定性研究進(jìn)展

一般使用情況下，解決溫度穩(wěn)定性的辦法是做老化處理，以消除磁體不穩(wěn)定的因素（當(dāng)然，這是以損失部分磁性為代價(jià)的，一般為10%）。老化處理的溫度和時(shí)間根據(jù)用途或用戶要求來(lái)做。例如：可在開水中沸煮3小時(shí)，或在烘箱中附鐵板加熱老化，也可在高真空燒結(jié)爐中準(zhǔn)確恒溫125℃×1.5小時(shí)。另外還有一些辦法，可通過(guò)添加某些元素直接提高磁體本身的溫度穩(wěn)定性。如微波通訊器件的應(yīng)用領(lǐng)域，要求磁感應(yīng)強(qiáng)度溫度系數(shù)αBr越低越好，近幾年此方面的研究有了很大進(jìn)展：

①添加Co，能有效地提高居里溫度（一般加入1at.%Co,可提高Tc約10℃）；同時(shí)，添加Co，可使3d亞點(diǎn)陣間的交換作用加強(qiáng)，從而使αBr得以提高。而加入Dy，盡管會(huì)降低居里溫度，但由于其磁矩與Fe亞點(diǎn)陣磁矩反平行耦合，故亦可改善αBr。如同時(shí)添加：用Co替代Fe，用Dy替代Nd，且當(dāng)比例適當(dāng)時(shí)，NdFeB磁體的αBr可降到0。如對(duì)成分為（Nd0.5Dy0.5）15.5Fe51Co26B7.5磁體，其磁性能即可達(dá)：Br=0.88T；Hcj=1.23MA/M-1（15KOe），Hcb=525.4KAM-1；BHm=119.4KJ/M3，αBr=0.00%/℃；磁通不可逆損失≤5%.

②在此基礎(chǔ)上，添加Ga，W，可得到低αBr的燒結(jié)NdFeB磁體。

③而磁體中添加Tb，則不僅可得到低的αBr，而且能保持高的Hcj和BHm。

磁穩(wěn)定性電機(jī)磁鋼

再比如電機(jī)使用的磁鋼，對(duì)αBr沒有太大要求，但卻要求βHcj越低越好。βHcj改善很難，但也有一些研究成果表明：

①添加Dy、Tb、Ga，能改善燒結(jié)磁體的βHcj;

②添加Sn，能改善燒結(jié)磁體的βHcj:NdFeB磁體或含Al、Dy的NdFeB磁體添加Sn，使局部有效退磁因子Neff減小，從而使矯頑力溫度系數(shù)βHcj得以降低。但βHcj值的降低效果有限。故實(shí)際應(yīng)用中,主要是通過(guò)提高Hcj來(lái)提高βHcb,降低磁通不可逆損失。經(jīng)驗(yàn)表明:工作點(diǎn)Pc=2,Hcj≥17KOe時(shí),βHcb能從-0.6%/℃降到-0.2%/℃。

③關(guān)于磁通不可逆損失hirr:運(yùn)用磁學(xué)唯象理論知識(shí)，可推導(dǎo)磁通不可逆損失的計(jì)算公式為：

hirr=(其中Hd（T）為退磁場(chǎng))

如假定αBr、βHcj隨溫度線性變化，則進(jìn)一步有：

磁通不可逆損失hirr=(CGS)

磁穩(wěn)定性降低磁通途徑

據(jù)上面的公式可知，要降低磁通不可逆損失，可有以下幾個(gè)途徑：

·添加Dy、Nb、V、Ga等微量元素，以降低βHcj，從而降低磁通不可逆損失。

·添加微量元素，降低Neff：既降低D值，也降低βHcj，從而最終降低磁通不可逆損失：研究表明：釹鐵硼磁體中添加微量Sn，可降低合金內(nèi)部的局域有效退磁場(chǎng)，也可降低矯頑力溫度系數(shù)βHcj，從而使磁體磁通不可逆損失得以降低。

·通過(guò)改善磁體粒度分布及晶粒一致性，以減小Br-Mk的差值，從而降低磁通不可逆損失。

·選擇合適的長(zhǎng)徑比，得到合適的D值。

·選擇合適的使用溫度，使磁通不可逆損失控制在所需的范圍。

所謂時(shí)間穩(wěn)定性，是將永磁體放在一定的溫度下長(zhǎng)期放置，測(cè)量其磁性能隨時(shí)間的變化。永磁體充磁飽和后，只是在初始的1～2小時(shí)內(nèi)略有下降，其后即使經(jīng)過(guò)5～10年磁性能也基本不變。其時(shí)間穩(wěn)定性數(shù)值依成分、實(shí)驗(yàn)條件、和尺寸比的不同略有差異。復(fù)合添加Co Dy Nb的釹鐵硼永磁體，可得到良好的時(shí)間穩(wěn)定性。下圖示出在常溫下該復(fù)合永磁體Pc=1時(shí)，磁通隨時(shí)間的變化所發(fā)生的衰減，十年內(nèi)磁通衰減不到10%。

電機(jī)用磁體，在工作過(guò)程中氣隙長(zhǎng)度和體積是變化的，屬動(dòng)態(tài)磁路。磁體不但受到溫度變化的影響，而且還受到電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)其反向退磁的影響。由于工作點(diǎn)是在回復(fù)線上往返變化，就使得磁體處于循環(huán)退磁狀態(tài)。這要求我們?cè)谧鲭姍C(jī)磁路設(shè)計(jì)時(shí)，不但要考慮溫度變化的影響，還要考慮到動(dòng)態(tài)退磁的附加影響。一般功率型的直流電機(jī)，由于電樞效應(yīng)，其最低工作點(diǎn)大約都在-0.6的地方，此時(shí)要求磁體在電機(jī)的連續(xù)工作溫度下B-H曲線仍為直線,如果B-H曲線發(fā)生彎曲，磁體就會(huì)因電樞效應(yīng)產(chǎn)生永久性退磁；另外還有對(duì)磁體在電機(jī)的極限溫度下，要求其磁通不可逆損失hirr≤5%.

所謂化學(xué)穩(wěn)定性是指永磁材料的抗氧化和耐腐蝕程度。相對(duì)于傳統(tǒng)的鐵氧體或Sm系永磁，燒結(jié)釹鐵硼的化學(xué)穩(wěn)定性是最差的。如直接暴露在大氣中就會(huì)不斷氧化、發(fā)生銹蝕。由于燒結(jié)釹鐵硼磁體是粉末冶金工藝制造、由3個(gè)相構(gòu)成的復(fù)合組織，其表面存在著磨削加工所產(chǎn)生的惡化層和材料自身存在的一些氣孔、氧化相等?？諝庵械乃志蛷拇朋w表面的或接近表面的富B相和氣孔處進(jìn)行腐蝕。

目前解決釹鐵硼永磁體化學(xué)穩(wěn)定性的辦法主要是添加某些合金元素如Co、Ni、Al和Cr等，同時(shí)在燒結(jié)工藝中盡量提高密度、減少氣孔。如通過(guò)Co Ni Al的復(fù)合添加，合金磁體在70℃和相對(duì)濕度95%的環(huán)境中進(jìn)行48小時(shí)實(shí)驗(yàn)，其表面仍有金屬光澤而未見腐蝕。另一種解決化學(xué)穩(wěn)定性的辦法是對(duì)磁體進(jìn)行表面處理，如電鍍、化學(xué)鍍等表面處理，可使磁體獲得實(shí)用的耐腐蝕性能。

可以做磁泡存儲(chǔ)的材料并不多，一般有六方鐵氧體(MFe₁₂O₁₉)(M表示堿金屬)、氟化鐵(FeF₃)、硼酸鐵(FeBO₃)、稀土正鐵酸鹽等。用作磁泡器件的材料還需是很薄(15μm以下)的單晶片。當(dāng)前發(fā)展重點(diǎn)是提高材料的磁泡密度、磁泡遷移率和溫度穩(wěn)定性。