制備稀土永磁納米顆粒的技術關鍵

  當磁性材料的尺寸降低到納米尺度時,會具有一些不同于塊體材料的特殊的物理和化學性質。永磁納米顆粒或薄片在眾多領域具有重要應用。例如,稀土永磁顆粒薄膜,無需高溫退火即可獲得優異的永磁性能,在磁性微機電系統中獲得特殊用途;稀土永磁納米顆粒各向異性高,鐵磁-超順磁臨界尺寸低,可提高鐵磁流體的性能;稀土永磁納米顆粒鐵磁-超順磁臨界尺寸低于現有磁記錄材料臨界尺寸,可用于超高密度磁記錄,突破現有磁記錄材料存儲密度極限;等等。

  然而,制備各向異性磁性納米永磁顆粒卻是一個很大的挑戰。雖然軟磁納米顆粒可以通過物理和化學方法合成,但是,稀土硬磁納米顆粒的制備一直是個難題。其主要原因在于稀土極易氧化,且成分較為復雜。雖然磁控濺射或蒸發法可以制備稀土永磁納米顆粒,但對實驗條件要求高,難以實現產業化。采用傳統的高能球磨技術通常可以獲得粒度達到亞微米級的粉末,但是很難再通過調整球磨工藝參數(如延長球磨時間等)方法使粉末粒度進一步減少。

  近年來的研究發現采用表面活性劑輔助球磨法可以成功制備出高性能的稀土永磁納米顆粒。在傳統的干磨或濕磨中,破碎的顆粒由于高的表面能會再次產生冷焊,所以顆粒很難進一步細化。表面活性劑輔助球磨是在濕磨中加入表面活性劑,表面活性劑附著在顆粒表面,降低表面能,阻止冷焊發生,從而可以把顆粒細化到納米尺度。表面活性劑在表面活性劑輔助球磨工藝中起到許多重要的作用:除了阻止冷焊,使顆粒進一步細化之外,還因為附著在納米顆粒表面,使其更長時間懸浮在溶劑中,可對不同尺寸納米顆粒進行更好地分離;作為表面潤滑劑,在球磨中會導致顆粒不同的解離和破碎過程,獲得不同形貌納米材料,也對納米顆粒具有保護作用。大量的研究和試驗表明,采用適當的表面活性劑和有機溶劑作為介質進行球磨是目前制備稀土永磁納米顆粒的最好方法,該方法阻止球磨過程中粉末團聚和冷焊的發生,從而十分有效地減小粒徑,并能減小顆粒間的摩擦作用,防止球磨中細小顆粒的氧化。該方法已被成功用于制備小于10納米的納米顆粒和幾十納米的納米片,直接獲得了具有高矯頑力的Sm-Co和Nd-Fe-B各向異性納米片狀材料。重要的是,表面活性劑輔助球磨工藝相對簡單,更有希望實現產業化。而且,該工藝其加工過程完全在室溫甚至低溫下進行,所以特別適合于化學性質活潑的稀土納米材料的制備。

  不過,表面活性劑輔助球磨技術雖然可以獲得尺寸低到幾個納米的永磁顆粒,但是球磨產物往往粒度分布差,導致矯頑力低。可以采用如超聲震蕩、靜置和離心分離的顆粒分級技術,球磨產物尺寸的選擇可以由顆粒溶液的沉降時間和離心分離來控制,制備出窄粒度分布的稀土納米顆粒,使其矯頑力明顯升高。