制备稀土永磁纳米颗粒的技术关键

发布日期：2016-12-14 来源：冶金信息网 浏览次数：405

当磁性材料的尺寸降低到纳米尺度时，会具有一些不同于块体材料的特殊的物理和化学性质。永磁纳米颗粒或薄片在众多领域具有重要应用。例如，稀土永磁颗粒薄膜，无需高温退火即可获得优异的永磁性能，在磁性微机电系统中获得特殊用途；稀土永磁纳米颗粒各向异性高，铁磁-超顺磁临界尺寸低，可提高铁磁流体的性能；稀土永磁纳米颗粒铁磁-超顺磁临界尺寸低于现有磁记录材料临界尺寸，可用于超高密度磁记录，突破现有磁记录材料存储密度极限；等等。

然而，制备各向异性磁性纳米永磁颗粒却是一个很大的挑战。虽然软磁纳米颗粒可以通过物理和化学方法合成，但是，稀土硬磁纳米颗粒的制备一直是个难题。其主要原因在于稀土极易氧化，且成分较为复杂。虽然磁控溅射或蒸发法可以制备稀土永磁纳米颗粒，但对实验条件要求高，难以实现产业化。采用传统的高能球磨技术通常可以获得粒度达到亚微米级的粉末，但是很难再通过调整球磨工艺参数（如延长球磨时间等）方法使粉末粒度进一步减少。

近年来的研究发现采用表面活性剂辅助球磨法可以成功制备出高性能的稀土永磁纳米颗粒。在传统的干磨或湿磨中，破碎的颗粒由于高的表面能会再次产生冷焊，所以颗粒很难进一步细化。表面活性剂辅助球磨是在湿磨中加入表面活性剂，表面活性剂附着在颗粒表面，降低表面能，阻止冷焊发生，从而可以把颗粒细化到纳米尺度。表面活性剂在表面活性剂辅助球磨工艺中起到许多重要的作用：除了阻止冷焊，使颗粒进一步细化之外，还因为附着在纳米颗粒表面，使其更长时间悬浮在溶剂中，可对不同尺寸纳米颗粒进行更好地分离；作为表面润滑剂，在球磨中会导致颗粒不同的解离和破碎过程，获得不同形貌纳米材料，也对纳米颗粒具有保护作用。大量的研究和试验表明，采用适当的表面活性剂和有机溶剂作为介质进行球磨是目前制备稀土永磁纳米颗粒的最好方法，该方法阻止球磨过程中粉末团聚和冷焊的发生，从而十分有效地减小粒径，并能减小颗粒间的摩擦作用，防止球磨中细小颗粒的氧化。该方法已被成功用于制备小于10纳米的纳米颗粒和几十纳米的纳米片，直接获得了具有高矫顽力的Sm-Co和Nd-Fe-B各向异性纳米片状材料。重要的是，表面活性剂辅助球磨工艺相对简单，更有希望实现产业化。而且，该工艺其加工过程完全在室温甚至低温下进行，所以特别适合于化学性质活泼的稀土纳米材料的制备。

不过，表面活性剂辅助球磨技术虽然可以获得尺寸低到几个纳米的永磁颗粒，但是球磨产物往往粒度分布差，导致矫顽力低。可以采用如超声震荡、静置和离心分离的颗粒分级技术，球磨产物尺寸的选择可以由颗粒溶液的沉降时间和离心分离来控制，制备出窄粒度分布的稀土纳米颗粒，使其矫顽力明显升高。