[发明专利]应用磁场合成和处理氮化铁磁性材料

说明书

相关申请的引证

本申请要求于2015年1月26日提交并且题目为“应用磁场合成和处理氮化铁磁性材料(APPLIED MAGNETIC FIELD SYNTHESIS AND PROCESSING OF IRON NITRIDE MAGNETIC MATERIALS)”的美国临时专利申请号62/107,700的权益，通过引用将其全部内容结合于本文中。

技术领域

本公开涉及形成氮化铁磁性材料的技术。

背景技术

永磁体在许多机电系统包括例如替代能源系统中起作用。例如，将永磁体用在传感器、致动器、电动机或发电机中，其可以用于车辆、风力涡轮机和其他可替代的能源机构中。目前使用的许多永磁体包含稀土元素，如钕，这产生高能积(high energy product)。这些稀土元素的供应相对短缺，并且在未来可能面临更高的价格和/或供应短缺。另外，一些包含稀土元素的永磁体制造起来是昂贵的。例如，制造NdFeB和铁氧体磁体一般包括粉碎材料、压缩材料、以及在高于1000℃的温度下烧结，所有这些都促成了磁体的高制造成本。另外，稀土采矿可能导致严重的环境恶化。

发明内容

本公开描述了用于形成包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域(iron-based phase domain)的磁性材料的技术。例如，包含单轴磁各向异性的基于铁的相域可以包括具有体心四方晶体结构的铁、α″-Fe₁₆N₂、α″-Fe₁₆C₂、Fe或其他基于Fe的磁性材料。本文所描述的技术可以包括以下中的至少一种：在应用磁场中浇铸铁和氮的混合物或固结(联合，consolidation)多个工件，多个工件中的至少一些包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域，同时将多个工件暴露于应用磁场。

在浇铸技术期间，氮化铁晶体可以成核并由熔化的包含铁和氮的混合物生长。通过在浇铸过程期间应用磁场，可以影响氮化铁晶体的成核和生长使得可以非常有利于具有预定取向的晶体的生长。例如，具有基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度内))于应用磁场的方向的(002)或(004)晶体平面的氮化铁晶体可以比具有不同取向(例如具有基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度内)于应用磁场的方向)的(110)、(112)、(202)或(200)晶体平面)的氮化铁晶体更有利。因此，应用场可以增加多个氮化铁晶体中的一些或所有氮化铁晶体可以具有类似的结晶取向的似然性。具有晶体取向基本类似的多重氮化铁晶体的材料可以增加材料的磁各向异性。

在固结期间，可以将磁场应用于固结为基本对齐(例如对齐或几乎对齐(如在精确对齐的约5度内))包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域如α″-Fe₁₆N₂的多个工件的易磁化轴的材料。易磁化轴是这样的基于铁的相域晶胞的方向：沿着其磁矩的对齐是能量有利的并且是亚稳的(energetically favorable and metastable)。在一些实施例中，包含单轴磁各向异性单位晶胞的基于铁的相域的易磁化轴是<001>或c轴。在一些实施例中，多个工件可以包括粉末、微粒、带状物、板、丝线或其他几何形状。通过在压实过程期间应用磁场，可以与应用磁场的方向基本平行(例如平行或几乎平行(如在平行的约5度内))对齐包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的多个工件的易磁化轴。这可以帮助限定固结的磁性材料的磁化方向，以及也可以增加固结的磁性材料的磁各向异性。

在一些实施例中，本公开描述了包括以下各项的方法：在应用磁场存在的情况下浇铸包含铁的材料以形成包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的工件，其中应用磁场具有至少约0.01特斯拉(T)的强度。

在一些实施例中，本公开描述了包括以下的方法：在应用磁场存在的情况下压实多个工件以形成包含多个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域的块状材料，其中每个工件包含至少一个含有单轴磁各向异性的基于铁的相域，其中应用磁场具有至少约0.01特斯拉(T)的强度，其中应用磁场限定块状材料的磁化方向。

在一些实施例中，本公开描述了配置为执行本文所描述的任一种技术的装置。

在一些实施例中，本公开描述了通过本文所描述的任一种技术形成的工件。

在一些实施例中，本公开描述了通过本文所描述的任一种技术形成的块状材料。