[发明专利]具有高磁能密度的宏观纳米结构永磁铁的生产工艺以及相应磁铁

说明书

技术领域

本发明涉及永磁铁的生产系统和生产工艺领域，具体涉及具有高磁能密度用于高效率电动机或发电机的纳米结构的宏观膜或者薄膜。

背景技术

在全球范围内，永磁铁的研究受到了人们的普遍关注，对小型电子器件、电流发生器和直流电机的生产需求使该研究更为人关注。

可以用高矫顽性、高剩磁性来概括这些材料需要的磁性，高矫顽性和高剩磁性都意味着与磁能密度成正比的大的磁滞回线区域，磁能密度又定义为磁感应强度与磁场强度之积(B×H)，通常是用MGOe或者用J/m³(1MGOe≈7742J/m³)度量的。具有高B X H积的永磁铁(其工作点(根据形状和边界条件)在矫顽性和剩磁性之间的中间位置)是非常强磁场的来源，并且很难受到任何外来磁场的影响；因此其能够感应很强的电动势，并且是电机应用和发电机的最佳选择。通常，最适合材料包含稀土金属和过渡金属的合金(Sm₂Co₁₇，SmCo₅，Nd₂Fe₁₄B，Sm₂(CoFe)₁₇，Sm₂Fe₁₇N₃等)，其中第一元素的晶体结构引起高的磁性-晶体各向异性(硬相(hard phase))，而过渡金属对系统的整体磁矩(软相(soft phase))有贡献。

为了获得高性能价廉的永磁铁，要略微降低稀土的含量，优选用铁-钕合金来代替钴-钐合金，另外的优点是有更好的可加工性。

根据磁物理学的最新发展成果，一直把一种特定机制，即双极耦合机制认为是生产具有很高能积B x H(＞1MGOe)、降低的稀土金属浓度的材料的可行起点。已经有人描述了这些概念，例如在J.Appl.Phys，99，08B516(2006)的Lee，Bauser，Higgins，Chen和Liu的“Bulk anisotropic composite rare earth magnets”中已有描述。最新数值仿真显示，原则上可以用含有低于10％化学当量的稀土基化合物的纳米结构合金来达到相同性能，例如可参见Phys.Rev.B，48，21(1993)的Skomsky和Coey的“Giant energy product in nanostructured two-phase magnet”。根据这些研究，薄层状纳米结构材料代表了满足获得良好性能需求的最佳结构，其中含有稀土金属的化学当量硬相由一组厚度一般约为10纳米的堆叠层组成，层间用厚度约100纳米的其它软铁磁性材料层隔开。但是，到目前为止还没有一种可用工艺技术能在工业规模上成功制造由纳米结构多层合成物组成的宏观制品。

可以把由由两相材料组成的永磁铁的主要生产方法分类为粉末冶金工艺，其中两相材料包括基于稀土的硬铁磁相和基于Fe，Co，Ni的软铁磁相。在这种情况下，执行单轴冷压，然后要么进行烧结，要么进行单轴热压或者热等静压。结果，以此方式获得的双相合金的微晶结构还不足以达到文献中估计的理论性能。此主要缺点是由于对通过这些技术获得的晶体的纳米结构的松散控制，以及由包括稀土基合金通常呈现的形状(其为球形或者圆柱形的，即绝对不象真正的薄片)造成的。

发明内容

本发明的目的是获得一种用于制造具有高磁能密度特征且允许获得极好地执行的并且便宜的(由于稀土的含量低)磁性材料的纳米结构多层永磁铁(既是薄膜又是宏观的片状物)的工艺。

为了达到该目的，本发明与生产该类型的永磁铁的工艺有关，其意指：沉积合金作为多层纳米结构材料，该沉积操作意指沉积第一组硬铁磁材料的堆叠层，将第二组软铁磁性材料层插入所述第一组堆叠层。该沉积操作包括：提供所述硬和/或软铁磁材料作为磁性纳米微粒溶液；将所述磁性纳米微粒溶液供应到用于喷射液态微射流的装置；喷射所述溶液以沉积所述第一组层和/或所述第二组层。本发明还与用于生产宏观永磁铁的系统以及相应的永磁铁有关。根据本发明的优选特征，所述用于喷射液态微射流的装置包括喷墨印刷头。根据另一优选特征，包括：用于喷射液态微射流的使用装置包括至少两个喷嘴，给其中的一个喷嘴供应含有硬磁性材料纳米微粒的溶液，给另一个喷嘴供应包含软磁性材料纳米微粒的溶液。

通过上述特征，根据本发明的工艺体现在对多层纳米结构层次上双相材料的完全控制，允许稀土基的硬合金的体积分数被限制到理论期望值。此外，在需要时，采用微射流喷射允许所生产磁铁的表面区域被至少十分之一毫米的沉积细节所覆盖。

附图说明