專利名稱：一種絕緣高磁性能的復(fù)合稀土永磁材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于稀土永磁材料領(lǐng)域，特別適用于制備具有優(yōu)良絕緣特性、高磁性能、結(jié)構(gòu)致密、高性價(jià)比的復(fù)合稀土永磁材料。
背景技術(shù)：
自80年代后NdFeB系稀土永磁材料問世以來，對(duì)永磁材料性能的討論始終未涉及絕緣特性的指標(biāo)要求，而隨著電機(jī)、電子自動(dòng)化行業(yè)的興起，稀土永磁材料的應(yīng)用空間也在不斷擴(kuò)展，工作環(huán)境也由穩(wěn)恒場(chǎng)相應(yīng)地轉(zhuǎn)變成變頻交變場(chǎng)，進(jìn)而，對(duì)電良導(dǎo)體屬性的稀土永磁材料來說，需要在交變場(chǎng)環(huán)境下具備優(yōu)良的抗渦損絕緣特性。前期，國(guó)內(nèi)外所采用的解決辦法也僅是對(duì)永磁整體表面涂鍍某些絕緣材料，例如日本專利公報(bào)特開平8-279407號(hào)中所介紹的一種多磁極電絕緣R-Fe-B永磁體，這種磁體的制備方法與傳統(tǒng)生產(chǎn)方法相同，即將R-Fe-B合金鑄錠破碎制粉，壓制成型，燒結(jié)，熱處理后獲得稀土永磁體，然后采用真空蒸鍍的方法，在每塊磁體表面鍍有2～10μm聚酰亞胺的樹脂薄膜層，該鍍膜層具有電絕緣性。這類稀土永磁體只是在磁體外表面鍍有絕緣材料薄層，而其內(nèi)部仍是金屬基的電良導(dǎo)體屬性，在高頻交變場(chǎng)下使用時(shí)，其內(nèi)部各處產(chǎn)生渦流發(fā)熱現(xiàn)象，而導(dǎo)致磁性能嚴(yán)重?fù)p失。同時(shí)，熱量過高，致使絕緣薄層被破壞而喪失絕緣特性，所以這種絕緣磁體的使用具有很大局限性。
此后，國(guó)內(nèi)又發(fā)布了利用大量有機(jī)高分子對(duì)稀土永磁粉粒(如NdFeB系，SmCo系)進(jìn)行包覆絕緣、再粘結(jié)成型的制備專利產(chǎn)品，如1998年國(guó)內(nèi)已公開的CN1185009A和2004年公開的CN1508815A，其敘述依靠添加不少于12wt％的多種有機(jī)高分子試劑對(duì)稀土永磁粉粒進(jìn)行包覆粘結(jié)，再按照傳統(tǒng)制備工藝進(jìn)行成型固化處理，期望高分子能作為磁粉粉粒的包覆絕緣層，以實(shí)現(xiàn)成型后磁體在變頻交變場(chǎng)下具有良好的抗渦損絕緣特性。此技術(shù)較上述日本專利8-279407號(hào)可謂是稀土永磁材料絕緣性能上的進(jìn)步，表現(xiàn)在可將永磁整體內(nèi)部原有的大回路渦流部分限于磁粉粉粒局部區(qū)域，一定程度上減少了渦流電子運(yùn)動(dòng)發(fā)熱引起的磁性能損失，但這該專利技術(shù)卻又帶來了新的缺陷①有機(jī)高分子聚合物與稀土永磁粉粒表面較差的親和效應(yīng)，引起包覆均勻一致性較低，從而在較高頻交變場(chǎng)下，導(dǎo)致高速運(yùn)動(dòng)的渦流電子仍易于穿透永磁粉粒的包覆薄層，在磁體內(nèi)部同樣形成較大局部回路渦旋場(chǎng)，最終磁體發(fā)熱，磁損較為嚴(yán)重；②僅憑大量添加無磁的高分子聚合物，永磁粉粒排列分布出現(xiàn)的“拱橋效應(yīng)”明顯加劇，空隙率較大，磁體難以具有致密結(jié)構(gòu)，密度值僅為4-5g/cm3之間，磁性能及抗壓強(qiáng)度也將隨之下降；③由于該技術(shù)所用的多為成本較高稀土永磁材料，不利于滿足具有較高性價(jià)比的絕緣高磁性能稀土永磁材料條件。
因此，上述專利因存在諸多的不足，致使可研發(fā)的應(yīng)用潛力不大，該技術(shù)制備得到的稀土永磁僅適用于穩(wěn)恒場(chǎng)或中低頻交變場(chǎng)環(huán)境下工作的低轉(zhuǎn)數(shù)民用電機(jī)，很難與某些高效、高精度、高轉(zhuǎn)數(shù)的電機(jī)及電子器件所需的性能指標(biāo)相匹配，不但極大程度地限制了高端永磁器件及設(shè)備性能上的飛躍發(fā)展，而且也阻礙了稀土永磁應(yīng)用市場(chǎng)領(lǐng)域的擴(kuò)大。
從而可以看出，目前關(guān)鍵的任務(wù)是需盡快找出一種能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)缺陷、有深遠(yuǎn)應(yīng)用前景的絕緣高磁性能稀土永磁材料，以推動(dòng)諸如微波、核磁共振、航空航天、高效電機(jī)、電子等器件性能改良的發(fā)展步伐加快，擴(kuò)展稀土永磁材料市場(chǎng)應(yīng)用空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的和任務(wù)是要克服現(xiàn)有材料存在①抗渦損絕緣特性較差；②空隙率大、磁性能及力學(xué)性能被降低；③較差性價(jià)比的缺陷，并提供一種具有優(yōu)良絕緣特性、結(jié)構(gòu)致密、高磁性能、機(jī)械強(qiáng)度好、較高性價(jià)比及易于產(chǎn)業(yè)化的一種絕緣高磁性能的稀土永磁材料，特提出本發(fā)明的技術(shù)解決方案。
本發(fā)明從理論上著手，對(duì)變頻交變場(chǎng)下稀土永磁內(nèi)部的渦旋場(chǎng)分布進(jìn)行建模分析，得出變化規(guī)律，并以此為依據(jù)，同時(shí)從微觀抗渦損效應(yīng)的稀土永磁粉粒和宏觀結(jié)構(gòu)致密的高性能磁體兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)思，其原理是首次在變頻交變場(chǎng)下，通過麥克斯韋方程組對(duì)電良導(dǎo)體屬性的稀土永磁合金建模解析，得出結(jié)論高頻交變場(chǎng)下，模型→稀土永磁合金內(nèi)總的渦流密度表達(dá)式為z=(1+μ2L)imcosωt---(1)]]>低頻交變場(chǎng)下，模型→稀土永磁合金內(nèi)總的渦流密度表達(dá)式為z=im(cosωt+ωμ2Rsinωt)---(2)]]>其中，μ磁導(dǎo)率；ω角速度；L自感系數(shù)；im周期變化中電流密度的峰值。由式(1)和式(2)可看出，渦流密度與稀土永磁合金的幾何形狀尺寸無關(guān)，只與其電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率及外場(chǎng)頻率有關(guān)。對(duì)于單一稀土永磁粉粒而言，避免大回路渦旋場(chǎng)形成的途徑是增強(qiáng)其表面及臨界間隙的抗渦損能力。
另外，本發(fā)明首次計(jì)算得出了高/低頻交變場(chǎng)下渦流在微觀稀土永磁粉粒內(nèi)部的分布趨勢(shì)及“趨膚效應(yīng)”形成機(jī)制，其表述為粉粒內(nèi)部的渦流電子都加速運(yùn)動(dòng)到表層局部區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行高速載流運(yùn)動(dòng)。其結(jié)果是分別在高頻和低頻交變場(chǎng)下，單一粉粒個(gè)體內(nèi)部立刻形成趨于表面的高密度渦流形態(tài)。具體體現(xiàn)在高頻時(shí)，單一微觀稀土永磁粉粒個(gè)體內(nèi)部沒有受到相位差影響而渦流時(shí)刻具有“由內(nèi)及表”的分布趨勢(shì)，絕大多數(shù)渦流電子都集中在個(gè)體表面薄層處，其內(nèi)渦流密度為0，表面薄層渦流密度占總渦流95％以上；低頻時(shí)電流矢量式存在相位差，雖然具有外高內(nèi)低的“趨膚”規(guī)律，但其值受位相差影響很大，并存在矢量反向抵消的區(qū)域。因此得出結(jié)論高、低頻兩種交變場(chǎng)下，稀土永磁渦損程度差距很大，高頻環(huán)境下電良導(dǎo)體的稀土永磁渦損極為嚴(yán)重，而為了滿足其在高頻交變場(chǎng)下能夠穩(wěn)定地得到廣泛應(yīng)用，研究使其具備抗渦損絕緣特性和高磁性能變得更為緊迫。
本發(fā)明基于上述解析結(jié)果，設(shè)計(jì)構(gòu)思是主要通過對(duì)稀土永磁粉粒分別進(jìn)行微量聚合物表面絕緣包覆；絕緣永磁粉粒間隙填充以截?cái)鄿u旋場(chǎng)電流分布路徑的兩種處理手段。前者能夠避免因渦流電子“趨膚效應(yīng)”在粉粒間穿界高速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致宏觀連續(xù)回路渦旋場(chǎng)的形成，而造成磁損嚴(yán)重；同步地，后者可截?cái)嗄承┮秧樌┙绲臏u流電子在間隙中運(yùn)動(dòng)路徑，發(fā)揮二次截流的輔助作用，而且也起到了填充粉粒空隙、改善致密結(jié)構(gòu)及提高磁體高溫穩(wěn)定特性的效用。
本發(fā)明所提出的一種絕緣高磁性能的復(fù)合稀土永磁材料，包括稀土永磁粉粒[3]為基體、包覆粘結(jié)的高分子聚合物[1]，稀土永磁粉粒粒度選定在5.0-200μm之間，其特征在于還包括絕緣復(fù)合的永磁粉粒[2]，其粒度是稀土永磁粉粒[3]粒度的1/20-1/2；材料成分配比的重量百分比wt％是絕緣復(fù)合的永磁粉粒[2]3～40wt％；包覆粘結(jié)的高分子聚合物[1]3～10wt％；其余為稀土永磁粉粒[3]組合而成。
本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于該稀土永磁粉粒[3]是釤鈷系永磁粉粒如SmCo5和Sm2Co17系永磁粉粒，或是釹鐵硼系永磁粉粒；絕緣復(fù)合的永磁粉粒[2]是鐵氧體永磁粉粒；包覆粘結(jié)的高分子聚合物[1]是樹脂類粘結(jié)劑與偶聯(lián)劑聚合而成。
本發(fā)明更進(jìn)一步的特征在于鐵氧體永磁粉粒是各向同性鐵氧體永磁，或是各向異性鐵氧體永磁；包覆粘結(jié)的高分子聚合物樹脂類粘結(jié)劑是熱固性樹脂，或是熱塑性樹脂。
本發(fā)明的一種絕緣高磁性能的復(fù)合稀土永磁材料中稀土永磁粉粒的粒度取決于自身成分及性能，所以稀土永磁粉粒的粒度定在5.0～200μm之間，絕緣復(fù)合的永磁粉粒形狀主要以適于與稀土永磁粉粒充分復(fù)合的球狀為主，其粒度是稀土永磁粉粒粒度的1/20～1/2。因?yàn)榻^緣復(fù)合的永磁粉粒與稀土永磁粉粒的粒度相比小于1/20，復(fù)合后易出現(xiàn)永磁成分偏析，導(dǎo)致復(fù)合磁體性能下降；而絕緣復(fù)合的永磁粉粒過大，其大于稀土永磁粉粒粒度的1/2，則因絕緣復(fù)合的永磁粉粒自身磁性能較低，復(fù)合后磁體的磁性能受其明顯影響而導(dǎo)致降低。小于稀土永磁粉粒粒度的球狀絕緣復(fù)合永磁粉粒，因其具有球狀的較小體積，更易于實(shí)現(xiàn)充分填充稀土永磁粉粒的間隙空間，不但在交變場(chǎng)環(huán)境下能夠截?cái)嘁汛┙鐪u流電子的運(yùn)動(dòng)路徑，而且有效地消除了稀土永磁粉粒排列空間的“拱橋效應(yīng)”，促使磁體的致密度及抗壓強(qiáng)度得到提高，尤其是鐵氧體永磁成本不足前述已有專利中稀土永磁成本的10％，更易于實(shí)現(xiàn)較好的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。根據(jù)實(shí)際對(duì)磁體絕緣特性的不同要求，所用絕緣復(fù)合的永磁粉粒含量定為3～40wt％，因?yàn)槿羝浜坎蛔?wt％時(shí)，粉粒分布僅在局部很小的間隙空間內(nèi)，無法有效地截?cái)嘁汛┙鐪u流電子的高速運(yùn)動(dòng)，很難實(shí)現(xiàn)磁體絕緣特性的改善；若其含量超過40wt％，由于粉粒密度較稀土永磁粉粒的密度值要小，其在磁體中所占的體積含量將高于50％，從而出現(xiàn)填充稀土永磁粉粒間隙區(qū)域的過剩狀態(tài)，導(dǎo)致磁體密度值降低。根據(jù)實(shí)際成型工藝或磁性能的要求而選用不同的絕緣復(fù)合永磁鐵氧體粉粒，當(dāng)選擇磁場(chǎng)下進(jìn)行取向成型時(shí)，選用各向同性的永磁鐵氧體粉粒；當(dāng)選擇無磁場(chǎng)取向成型時(shí)，選用各向異性的永磁鐵氧體粉粒。另外，稀土永磁粉粒與絕緣復(fù)合的永磁鐵氧體粉粒在性能上具有“補(bǔ)償效應(yīng)”，即永磁鐵氧體高溫穩(wěn)定性能可彌補(bǔ)稀土永磁高溫下熱退磁損失；同時(shí)，稀土永磁較高的磁性能(BH)m能夠補(bǔ)償永磁鐵氧體(BH)m較低的缺陷；球狀鐵氧體粉粒的間隙填充又具有改良成型后磁體表面光潔度的作用。
本發(fā)明所用包覆粘結(jié)的高分子聚合物組分均為市場(chǎng)所售，樹脂類粘結(jié)劑可根據(jù)成型方法或磁體用途的不同而選用不同的熱固性樹脂，或是熱塑性樹脂。當(dāng)選擇壓制成型方法時(shí)，通常選用熱固性樹脂，例如環(huán)氧類熱固性樹脂作為樹脂粘結(jié)劑；當(dāng)選用注射成型方法時(shí)，通常選用熱塑性樹脂，例如聚酰胺樹脂作為樹脂粘結(jié)劑。
本發(fā)明所用包覆粘結(jié)的高分子聚合物偶聯(lián)劑，例如硅烷偶聯(lián)劑，具有偶聯(lián)永磁粉粒與樹脂粘結(jié)劑兩者表面間的活化效應(yīng)。因?yàn)橛来藕辖鸱哿１砻娑紴橛H水性，而樹脂類粘接劑均屬于親油性，所以偶聯(lián)劑的微量添加能夠改善永磁粉粒與樹脂類粘結(jié)劑表面的親和強(qiáng)度，并且促使永磁粉粒在樹脂粘結(jié)劑中分散的均勻一致性，利于永磁粉粒被充分包覆。
為了避免出現(xiàn)前述已有專利CN1185009A和CN1508815A中因添加超過12wt％的無磁高分子聚合物而導(dǎo)致出現(xiàn)了磁體磁性能降低的缺陷，同時(shí)又要滿足成型后磁體粘結(jié)強(qiáng)度、包覆充分的要求，本發(fā)明所用包覆粘結(jié)的高分子聚合物含量控制在3～10wt％，若其含量低于3wt％，很難保證將體積小的絕緣復(fù)合永磁粉粒充分粘結(jié)包覆，成型后磁體不具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度而易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；若其含量超過了10wt％，大量無磁高分子聚合物的添加破壞了磁體較高的磁性能。
本發(fā)明的一種絕緣高磁性能復(fù)合稀土永磁材料與已有技術(shù)相比較，其優(yōu)點(diǎn)是①由于絕緣復(fù)合永磁粉粒發(fā)揮著稀土永磁粉粒間隙的填充、阻截渦流電子運(yùn)動(dòng)路徑的作用，并且微量高分子聚合物對(duì)稀土永磁粉粒的包覆粘結(jié)也起到了絕緣隔離渦流電子穿透的效果，促使磁體不但獲得優(yōu)良絕緣特性，同時(shí)具有致密性及較高磁性能；②由于適量的球狀絕緣永磁粉粒復(fù)合，使得磁體具有均勻的一致性結(jié)構(gòu)，并改善了抗壓強(qiáng)度及表面光潔度；③復(fù)合永磁粉粒在成分范圍內(nèi)可任意含量比配制，其性能上具有相互的“補(bǔ)償效應(yīng)”；④本發(fā)明由于鐵氧體永磁成本很低，獲得了較好的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。當(dāng)該絕緣高磁性能的復(fù)合稀土永磁材料被應(yīng)用在較高頻率交變場(chǎng)下，磁體本身不發(fā)熱或發(fā)熱量很小，從而保證了其在這種特殊環(huán)境下能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，磁性能不受損失。同時(shí)，該磁體不會(huì)出現(xiàn)因操作不當(dāng)、表面破損或局部高分子包覆不均而產(chǎn)生破壞抗渦損絕緣特性的現(xiàn)象，這些特點(diǎn)對(duì)需要絕緣高磁性能永磁體的使用者和設(shè)計(jì)者是至關(guān)重要的，也是已有技術(shù)中涂鍍絕緣層的磁體或大量添加高分子聚合物包覆永磁粉粒所不能兼?zhèn)涞奶匦浴?br> 附表說明表1是實(shí)施例1將已有技術(shù)NdFeB稀土永磁最佳綜合性能對(duì)應(yīng)成分與本發(fā)明成分配比明晰表試驗(yàn)中本發(fā)明所用的稀土永磁粉粒與已有技術(shù)所述NdFeB最佳綜合性能選用的稀土永磁粉粒完全相同，即NdFeB且含量都為88wt％，而兩者其它不同成分及含量分別是已有技術(shù)的包覆粘結(jié)的高分子聚合物作為無磁成分，其總含量為12wt％，其中有環(huán)氧樹脂4wt％，聚乙烯醇縮丁酸3wt％，環(huán)氧聚酯漆5wt％；本發(fā)明的永磁粉粒中除了NdFeB稀土永磁粉粒，還包括絕緣復(fù)合的鐵氧體永磁粉粒，含量為9wt％，使得永磁粉粒總量達(dá)到97wt％，絕緣包覆的高分子聚合物作為無磁成分，含量?jī)H為3wt％，其包括環(huán)氧樹脂2wt％和硅烷偶聯(lián)劑1wt％。
表2是通過實(shí)施例1將由表1中兩種不同成分配比而產(chǎn)生的效能對(duì)應(yīng)比較明晰表中顯示兩者對(duì)應(yīng)得到各性能參數(shù)值，其中表征磁性能參數(shù)是剩磁Br、矯頑力iHc和最大磁能積(BH)m；表征致密性用磁體密度ρ；表征磁體絕緣特性參數(shù)是體積電阻率；機(jī)械性能用抗壓強(qiáng)度參數(shù)表征，均采用CGS單位制。結(jié)果顯示已有技術(shù)的磁性能參數(shù)分別為Br＝4.8kGs，iHc＝11.6kOe和(BH)m＝5.0MGOe，而密度ρ＝5.04g/cm3，體積電阻率1×105Ω.cm，抗壓強(qiáng)度9.8kN；本發(fā)明的磁性能參數(shù)分別是Br＝6.3kGs，iHc＝11.9kOe和(BH)m＝8.6MGOe，而密度ρ＝5.94g/cm3，體積電阻率2.4×105Ω.cm，抗壓強(qiáng)度10.5kN。從而可看出，本發(fā)明無論是磁性能、絕緣特性，還是致密性和抗壓強(qiáng)度都好于已有技術(shù)相應(yīng)各性能。
表3是實(shí)施例2將本發(fā)明NdFeB稀土永磁最佳綜合性能對(duì)應(yīng)成分與已有技術(shù)成分配比明晰表試驗(yàn)中已有技術(shù)所用稀土永磁粉粒與本發(fā)明所述最佳綜合性能選用的稀土永磁粉粒相同，即NdFeB都為77wt％，而兩者其它不同成分及含量分別是本發(fā)明還有絕緣復(fù)合的鐵氧體永磁粉粒20wt％，使得永磁總量達(dá)到97wt％，包覆粘結(jié)的無磁高分子聚合物僅3wt％，其包括環(huán)氧樹脂2wt％和硅烷偶聯(lián)劑1wt％；已有技術(shù)其它成分都是包覆粘結(jié)的無磁高分子聚合物，總量達(dá)到23wt％，其有環(huán)氧樹脂5wt％，聚乙烯醇縮丁酸8wt％，硅烷偶聯(lián)劑3wt％，環(huán)氧聚酯漆7wt％。
表4是通過實(shí)施例2將由表3中兩種不同成分配比而產(chǎn)生的效能對(duì)應(yīng)比較明晰結(jié)果顯示本發(fā)明的磁性能參數(shù)分別是Br＝5.5kGs，iHc＝11.7kOe和(BH)m＝6.6MGOe，而密度ρ＝5.67g/cm3，體積電阻率4.9×107Ω.cm，抗壓強(qiáng)度11.6kN；已有技術(shù)的磁性能參數(shù)分別為Br＝4.2kGs，iHc＝11.4kOe和(BH)m＝4.0MGOe，而密度ρ＝4.82g/cm3，體積電阻率1×107Ω.cm，抗壓強(qiáng)度8.7kN，從而，能夠清楚地看出因已有技術(shù)添加大量23wt％無磁的高分子聚合物，導(dǎo)致其磁性能及其他性能都明顯低于本發(fā)明相應(yīng)的各性能。
表5是通過實(shí)施例3將選取四種不同含量的Sm2Co17粉粒及其他成分配比明晰表根據(jù)實(shí)施例3產(chǎn)品性能的要求，試驗(yàn)設(shè)定了四種不同含量的成分配比，其中用于包覆永磁粉粒的高分子聚合物，作為無磁成分其含量均設(shè)定為3wt％，由2wt％的環(huán)氧樹脂和1wt％的硅烷偶聯(lián)劑聚合而成的，而試驗(yàn)設(shè)定總量97wt％的四種復(fù)合永磁粉粒分別是I.94wt％的Sm2Co17稀土永磁粉粒和3wt％絕緣復(fù)合的鍶鐵氧體Sr-Ferrite永磁粉粒；II.84wt％的Sm2Co17和13wt％的Sr-Ferrite；III.74wt％的Sm2Co17和23wt％的Sr-Ferrite；IV.64wt％的Sm2Co17和33wt％的Sr-Ferrite。
表6是通過實(shí)施例3將由表5中四種不同復(fù)合永磁粉粒配比而產(chǎn)生的效能對(duì)應(yīng)比較明晰結(jié)果顯示I.磁性能參數(shù)Br＝7.8kGs，iHc＝14.9kOe和(BH)m＝12.9MGOe，而密度ρ＝7.05g/cm3，體積電阻率1.4×101Ω.cm，抗壓強(qiáng)度9.8kN；II.磁性能參數(shù)Br＝7.2kGs，iHc＝14.7kOe和(BH)m＝11.6MGOe，而密度ρ＝6.9g/cm3，體積電阻率2.1×105Ω.cm，抗壓強(qiáng)度10.7kN；III.磁性能參數(shù)Br＝6.6kGs，iHc＝14.3kOe和(BH)m＝8.8MGOe，而密度ρ＝6.6g/cm3，體積電阻率1.7×107Ω.cm，抗壓強(qiáng)度11.9kN；IV.磁性能參數(shù)Br＝5.8kGs，iHc＝13.9kOe和(BH)m＝6.9MGOe，而密度ρ＝6.1g/cm3，體積電阻率8.3×107Ω.cm，抗壓強(qiáng)度12.5kN。從而，清楚地得出無論從成本性價(jià)比還是從產(chǎn)品性能上考慮，試驗(yàn)配方III滿足于該實(shí)施例的所有要求。


圖1是稀土永磁粉粒成型后在變頻交變場(chǎng)下工作，其內(nèi)部閉合渦旋場(chǎng)回路分布的示意中形象地表述了電良導(dǎo)體片狀的稀土永磁粉粒[3]是構(gòu)成永磁體的唯一永磁成分，經(jīng)包覆粘結(jié)的高分子聚合物[1]粘結(jié)成型后，由法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象推廣到三維的麥克斯韋方程組，磁體在交變場(chǎng)環(huán)境下其內(nèi)部將感應(yīng)產(chǎn)生大量的渦旋電子在稀土永磁粉粒[3]間隙中穿界運(yùn)動(dòng)，形成了連續(xù)分布于整個(gè)磁體內(nèi)的閉合渦旋場(chǎng)回路[4]，此時(shí)閉合渦旋場(chǎng)回路[4]因“趨膚效應(yīng)”而彌漫磁體外圍各處，同時(shí)，其渦流電子需不斷地從磁體中奪取能量來維持自身趨膚方向的熱運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致了磁體磁性能嚴(yán)重受損。
本發(fā)明將建立的理論模型與實(shí)際稀土永磁粉粒成型磁體相結(jié)合，以充分地解析推出模型內(nèi)部及磁體內(nèi)趨膚效應(yīng)的形成作用及分布規(guī)律。具體表現(xiàn)為模型內(nèi)二維回路內(nèi)電磁感應(yīng)定律—感應(yīng)電流→三維麥克斯韋方程組—連續(xù)的閉合渦旋場(chǎng)回路[4]—渦流電子“趨膚效應(yīng)”到模型外圍熱運(yùn)動(dòng)耗能。此建模分析結(jié)果就是稀土永磁體內(nèi)解析得出趨膚效應(yīng)的分布規(guī)律，并充分明示了該效應(yīng)對(duì)粉粒微觀界面→磁體宏觀表面的影響，得出了造成磁體磁性能受損的原因。
圖2是稀土永磁粉粒與絕緣復(fù)合的永磁粉粒復(fù)合成型后在變頻交變場(chǎng)下工作，其內(nèi)部閉合渦旋場(chǎng)回路分布的示意中表述了當(dāng)稀土永磁粉粒[3]與絕緣復(fù)合的永磁粉粒[2]經(jīng)包覆粘結(jié)的高分子聚合物[1]復(fù)合成型后，置于頻率不低于300kHz交變場(chǎng)時(shí)，在圖1中原有出現(xiàn)的閉合渦旋場(chǎng)回路處處被絕緣復(fù)合的永磁粉粒[2]阻截，使得穿界運(yùn)動(dòng)的渦流電子此時(shí)只能局限在各微觀稀土永磁粉粒[3]表面薄層中雜亂無序地運(yùn)動(dòng)，失去了原有的運(yùn)動(dòng)方向。從宏觀上看，原有圖1中具有一定方向、遍布整個(gè)磁體外圍的閉合渦旋場(chǎng)回路變成了多個(gè)混亂無向、局部微小的閉合渦旋場(chǎng)回路[4]的分布形態(tài)，此轉(zhuǎn)變能夠明顯降低渦流電子的熱運(yùn)動(dòng)耗能，促使磁體磁性能損失降到最小。另外，值得一提的是，與已有技術(shù)添加大量高分子聚合物相比，本發(fā)明由于添加了絕緣復(fù)合的永磁粉粒[2]，促使包覆粘結(jié)的高分子聚合物[1]含量顯著減少。
圖3是建立單一稀土永磁粉粒制成的磁體置于變頻交變場(chǎng)下任意形狀的模型示意圖如圖3，假設(shè)模型為圓柱體在交變場(chǎng)下，其內(nèi)部通過一定方向的交變電流，表示為i0＝imcosωt，i0為電流密度，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，隨著電流周期性變化，B穿過圖中模型內(nèi)任選的某一矩形線圈[5]，其內(nèi)邊[6]和外邊[7]都分別與對(duì)稱軸[8]平行，其中a是內(nèi)邊[6]到對(duì)稱軸[8]的距離；b是外邊[7]到對(duì)稱軸[8]的距離；h是外邊[7]的長(zhǎng)度。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的穿過，導(dǎo)致了矩形線圈[5]內(nèi)產(chǎn)生回路感應(yīng)電流。此圖表示為磁感應(yīng)強(qiáng)度B對(duì)某一矩形線圈的穿入情況，而模型內(nèi)存在無數(shù)個(gè)類似的矩形線圈，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B對(duì)任一矩形線圈的穿入累加擴(kuò)展到三維實(shí)體各處時(shí)，即形成連續(xù)分布的渦旋場(chǎng)。
圖4是在高頻交變場(chǎng)情況下，導(dǎo)體中交變電流在如圖3所設(shè)定的矩形線圈回路里產(chǎn)生磁通Φ0與矩形回路的自感磁通Φ在一個(gè)完整周期內(nèi)變化的曲線示意圖縱坐標(biāo)Φ為磁通在一個(gè)完整周期內(nèi)的變化量，橫坐標(biāo)T表示周期的變化量。
高頻下，單一有形回路完整周期內(nèi)磁通Φ和Φ0位相時(shí)刻相反，結(jié)合圖3可知，模型中回路感應(yīng)電流方向?yàn)轫槙r(shí)針，矩形線圈內(nèi)邊的電流方向與i0反向，電流密度矢量值始終相減；矩形線圈外邊的電流方向與i0同向，電流密度矢量值始終疊加；圖5是在低頻交變場(chǎng)情況下，導(dǎo)體中交變電流在如圖3所設(shè)定的矩形線圈回路里產(chǎn)生磁通Φ0與矩形回路自感磁通Φ在一個(gè)完整周期內(nèi)變化的曲線示意圖低頻下，單一有形回路完整周期內(nèi)僅 和 兩個(gè) 周期的區(qū)間，磁通Φ與Φ0方向相反而具有與高頻相似的趨膚效應(yīng)現(xiàn)象，促使其每個(gè)完整周期內(nèi)熱損不及高頻情況下的熱損嚴(yán)重。
本發(fā)明通過具體的實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明的細(xì)節(jié)。
實(shí)施例1根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)一種絕緣高磁性能復(fù)合稀土永磁材料的成分選取范圍，選取一組成分與已有專利技術(shù)所述最佳綜合性能的成分進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，為了清楚地進(jìn)行比較，本發(fā)明選用了與該已有專利技術(shù)最佳綜合性能對(duì)應(yīng)的同種稀土永磁成分，即各向同性NdFeB稀土永磁粉粒及含量均為88wt％，粉粒粒度均值選在100μm，并利用同樣的制備方法。本發(fā)明選用各向同性的鋇鐵氧體Ba-Ferrite粉粒作為絕緣復(fù)合的永磁粉粒，含量為9wt％，其粒度是稀土永磁粉粒粒度的1/10，余下的無磁成分是總量為3wt％包覆粘結(jié)的高分子聚合物，其中有2wt％的環(huán)氧樹脂和1wt％的硅烷偶聯(lián)劑；而已有專利技術(shù)中除了88wt％的NdFeB稀土永磁粉粒，全部是無磁成分，其總量為12wt％包覆粘結(jié)的高分子聚合物，其中有4wt％環(huán)氧樹脂，3wt％聚乙烯醇縮丁酸，5wt％環(huán)氧聚酯漆。
采用與已有專利技術(shù)同樣的制備方法將NdFeB稀土永磁粉粒、絕緣復(fù)合的Ba-Ferrite永磁粉粒分別放于容器內(nèi)與包覆粘結(jié)的高分子聚合物充分?jǐn)嚢?，浸?rùn)均勻后進(jìn)行干燥，再制成所需復(fù)合粉粒，然后在無磁場(chǎng)取向進(jìn)行模壓成磁體部件，最后將磁體部件在135℃溫度下固化30分鐘。
性能檢測(cè)本發(fā)明Br＝6.3kGs，iHc＝11.9kOe和(BH)m＝8.6MGOe，而密度ρ＝5.94g/cm3，體積電阻率2.4×105Ω.cm，抗壓強(qiáng)度10.5kN；已有專利技術(shù)Br＝4.8kGs，iHc＝11.6kOe和(BH)m＝5.0MGOe，而密度ρ＝5.04g/cm3，體積電阻率1×105Ω.cm，抗壓強(qiáng)度9.8kN。
從而能夠得出結(jié)論本發(fā)明無論是磁性能、絕緣特性，還是致密性和抗壓強(qiáng)度都好于已有專利技術(shù)對(duì)應(yīng)的各性能。
實(shí)施例2本發(fā)明采用實(shí)施例1中同樣的NdFeB稀土永磁粉粒，其粒度均值同樣在100μm，當(dāng)其含量為77wt％，并與20wt％絕緣復(fù)合的鋇鐵氧體Ba-Ferrite永磁粉粒進(jìn)行復(fù)合，Ba-Ferrite粉粒粒度同樣是NdFeB粉粒粒度的1/10，經(jīng)3wt％包覆粘結(jié)的高分子聚合物粘結(jié)成型固化后，此配比是本發(fā)明選用該種NdFeB稀土永磁粉粒，比較獲得的最佳綜合性能各參數(shù)值，將該值與已有技術(shù)進(jìn)行比較，已有技術(shù)同樣選用77wt％的同種NdFeB稀土永磁粉粒，余下為其所述的無磁成分總量是23wt％包覆粘結(jié)的高分子聚合物，對(duì)應(yīng)得到了各性能參數(shù)值，再用上述實(shí)施例1中相同的制備工藝得到磁體部件。性能對(duì)比如表4所示。結(jié)論能夠清楚地看出因已有技術(shù)添加23wt％無磁成分的高分子聚合物，導(dǎo)致其磁性能及其他性能都明顯低于本發(fā)明相應(yīng)的各性能。
實(shí)施例3
某軍工單位生產(chǎn)力矩電機(jī)所需稀土永磁作為電機(jī)核心材料，要求的條件是磁體(BH)m≥8MGOe、iHc≥13.5kOe、密度值不低于6.5g/cm3、絕緣特性用體積電阻率來表征不低于2.5×105Ω.cm，并具有一定抗壓強(qiáng)度的稀土永磁器件。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用各向異性Sm2Co17稀土永磁粉粒與各向異性絕緣復(fù)合的鍶鐵氧體Sr-Ferrite永磁粉粒復(fù)合，Sm2Co17粒度均值選在80μm，Sr-Ferrite粒度是Sm2Co17粒度的1/10，并設(shè)定四種不同成分含量進(jìn)行制備，以得出滿足于該單位性能要求而對(duì)應(yīng)的成分配比。其配比如表5所示，其中用于包覆粘結(jié)的高分子聚合物，作為無磁成分其含量均設(shè)定為3wt％，由2wt％的環(huán)氧樹脂和1wt％的硅烷偶聯(lián)劑聚合而成的，試驗(yàn)設(shè)定四種總量97wt％的復(fù)合永磁粉粒配比分別是I.94wt％的Sm2Co17和3wt％的Sr-Ferrite；II.84wt％的Sm2Co17和13wt％的Sr-Ferrite；III.74wt％的Sm2Co17和23wt％的Sr-Ferrite；IV.64wt％的Sm2Co17和33wt％的Sr-Ferrite。按照實(shí)施例1中方法進(jìn)行浸潤(rùn)充分干燥，配制成所需成分后，將四種成分在磁場(chǎng)下取向模壓成磁體，然后在135℃溫度下固化處理30分鐘，得到各性能參數(shù)值如表6所示。從而清楚地得出無論從成本性價(jià)比還是從產(chǎn)品性能上考慮，試驗(yàn)配方III的性能及合理的成本能夠最佳地滿足于該軍工單位的所有要求?，F(xiàn)已通過單位認(rèn)證檢測(cè)正常地投入使用。
實(shí)施例4為某高轉(zhuǎn)數(shù)電機(jī)提供永磁定子期間，因該器件所需磁性能(BH)m不低于5MGOe；且要求器件為弧度58°角的瓦狀；具有優(yōu)良絕緣特性，其體積電阻率≥1.0×108Ω.cm。
針對(duì)該器件性能及形狀的實(shí)際要求，本發(fā)明將57wt％含量的各向異性SmCo5永磁粉粒與40wt％各向異性絕緣復(fù)合的鍶鐵氧體Sr-Ferrite永磁粉粒進(jìn)行復(fù)合，SmCo5粒度均值選在5.0μm，Sr-Ferrite粒度是SmCo5粒度的1/2，如實(shí)施例1中的制備方法，將復(fù)合永磁粉粒浸潤(rùn)充分干燥，配制成所需成分后，根據(jù)該永磁器件特殊的形狀需要，加工瓦腔模具將復(fù)合永磁粉粒在磁場(chǎng)下取向模壓成型，并進(jìn)行如上同樣的固化處理。最終得到所需的永磁器件對(duì)應(yīng)性能為Br＝5.1kGs，(BH)m＝6.4MGOe，抗壓強(qiáng)度13.9kN，體積電阻率＝1.6×108Ω.cm。
從而進(jìn)一步闡述了本發(fā)明能夠制備形狀各異的永磁器件，恰滿足了當(dāng)前高轉(zhuǎn)數(shù)永磁電機(jī)，同時(shí)也滿足了永磁器件對(duì)形狀、絕緣特性及高磁性能的需求，且較單一成分的SmCo5稀土永磁粉粒成本來說，本發(fā)明成分的成本低廉。另外，單一永磁成分的鐵氧體磁性能(BH)m生產(chǎn)上最高也不及6MGOe，本發(fā)明磁性能(BH)m明顯比鐵氧體永磁性能高，彌補(bǔ)了現(xiàn)有單一永磁成分鐵氧體永磁無法與高效電機(jī)性能指標(biāo)向匹配的缺陷。
實(shí)施例5為給某生產(chǎn)醫(yī)療器件單位提供一種絕緣高磁性能復(fù)合NdFeB稀土永磁材料，其對(duì)性能的要求(BH)m≥9MGOe；并具有一定的絕緣抗渦損特性，體積電阻率不低于4.0×104Ω.cm。
本發(fā)明針對(duì)該性能要求而制備了永磁器件，其成分是各向異性NdFeB稀土永磁粉粒，粒度均值選在120μm，含量為87wt％；絕緣復(fù)合的永磁粉粒選用各向異性鍶鐵氧體Sr-Ferrite粉粒，其粒度是NdFeB粒度的1/20，含量是10wt％；余下為3wt％包覆粘結(jié)的高分子聚合物。首先進(jìn)行復(fù)合永磁粉粒浸潤(rùn)充分并干燥，配制成所需成分，并在70℃、97MPa、磁場(chǎng)條件下進(jìn)行了溫壓成型，然后在135℃固化30分鐘得到永磁器件。
其性能是Br＝8kGs；iHc＝9.2kOe；(BH)m＝12.5MGOe，其密度為5.58g/cm3，體積電阻率1.2×105Ω.cm。經(jīng)單位驗(yàn)收，器件的磁性能、致密度及絕緣特性各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到該單位醫(yī)療器件的性能要求。
實(shí)施例6某單位對(duì)絕緣稀土永磁產(chǎn)品批量化、高產(chǎn)率的要求，對(duì)永磁性能的要求是磁性能Br＞5kGs，(BH)m＞4.5MGOe，密度不低于4g/cm3，體積電阻率不少于1×107Ω.cm，具有超過11kN的抗壓強(qiáng)度。
為了滿足該單位永磁器件的性能指標(biāo)和高效批量化的生產(chǎn)要求，本發(fā)明進(jìn)行了適于批量生產(chǎn)的相應(yīng)試驗(yàn)，即選用了各向異性的NdFeB稀土永磁粉粒，其粒度均值選在200μm，含量為75wt％，其與含量為15wt％各向異性絕緣復(fù)合的鍶鐵氧體Sr-Ferrite永磁粉粒進(jìn)行復(fù)合，Sr-Ferrite粒度是NdFeB粒度的1/8，添加了10wt％熱塑性包覆粘結(jié)的高分子聚合物，對(duì)永磁粉粒進(jìn)行復(fù)合配比粘結(jié)后，在注射成型機(jī)上對(duì)其進(jìn)行了磁場(chǎng)下取向注射成型，制備得到的磁體性能為Br＝5.16kGs，iHc＝9.3kOe，(BH)m＝5.1MGOe，密度為4.8g/cm3，絕緣特性體積電阻率為5.8×107Ω.cm，抗壓強(qiáng)度為12.3kN。
其結(jié)果表明，器件的磁性能、物理性能的密度值和體積電阻率，以及機(jī)械性能的抗壓強(qiáng)度值都滿足于單位對(duì)永磁器件制定的性能指標(biāo)。
表1是實(shí)施例1將已有技術(shù)NdFeB稀土永磁最佳綜合性能對(duì)應(yīng)成分與本發(fā)明成分配比明晰表

表2是通過實(shí)施例1將由表1中兩種不同成分配比而產(chǎn)生的效能對(duì)應(yīng)比較明晰

表3是實(shí)施例2將本發(fā)明NdFeB稀土永磁最佳綜合性能對(duì)應(yīng)成分與已有技術(shù)成分配比明晰表

表4是通過實(shí)施例2將由表3中兩種不同成分配比而產(chǎn)生的效能對(duì)應(yīng)比較明晰表

表5是通過實(shí)施例3將選取四種不同含量的Sm2Co17粉粒及其他成分配比明晰表

表6是通過實(shí)施例3將由表5中四種不同復(fù)合永磁粉粒配比而產(chǎn)生的效能對(duì)應(yīng)比較明晰

權(quán)利要求
1.一種絕緣高磁性能的復(fù)合稀土永磁材料，包括稀土永磁粉粒[3]為基體、包覆粘結(jié)的高分子聚合物[1]，稀土永磁粉粒粒度選定在5.0-200μm之間，其特征在于；還包括絕緣復(fù)合的永磁粉粒[2]，其粒度是稀土永磁粉粒[3]粒度的1/20-1/2；材料的成分配比是a)絕緣復(fù)合的永磁粉粒[2]含量為3-40wt％；b)包覆粘結(jié)的高分子聚合物[1]含量為3-10wt％；c)其余為稀土永磁粉粒[3]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絕緣高磁性能的復(fù)合稀土永磁材料，其特征在于該稀土永磁粉粒[3]是釤鈷系永磁粉粒，或是釹鐵硼系永磁粉粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絕緣高磁性能的復(fù)合稀土永磁材料，其特征在于絕緣復(fù)合永磁粉粒[2]是鐵氧體永磁粉粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種絕緣高磁性能的復(fù)合稀土永磁材料，其特征在于鐵氧體永磁粉粒是各向同性鐵氧體永磁，或是各向異性鐵氧體永磁。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絕緣高磁性能的復(fù)合稀土永磁材料，其特征在于包覆粘結(jié)的高分子聚合物[1]是樹脂類粘結(jié)劑與偶聯(lián)劑聚合而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種絕緣高磁性能的復(fù)合稀土永磁材料，其特征在于樹脂類粘結(jié)劑是熱固性樹脂，或是熱塑性樹脂。
全文摘要
稀土永磁材料領(lǐng)域中一種絕緣高磁性能的復(fù)合稀土永磁材料，包括稀土永磁粉粒[3]、包覆粘結(jié)的高分子聚合物[1]，稀土永磁粉粒的粒度定在5.0－200μm之間，特征；還包括絕緣復(fù)合的永磁粉粒[2]，其粒度是稀土永磁粉粒[3]粒度的1/20－1/2；材料配比為絕緣復(fù)合的永磁粉粒[2]3－40wt％；包覆粘結(jié)的高分子聚合物[1]3－10wt％；其余為稀土永磁粉粒[3]。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明材料在不低于400kHz頻率交變場(chǎng)下其微觀粉粒內(nèi)部形成了方向無序的閉合渦旋場(chǎng)回路[4]，具有優(yōu)良的抗渦損絕緣特性；最大磁能積(BH)
文檔編號(hào)H01F1/057GK101034608SQ20071001011
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2007年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月16日
發(fā)明者齊民, 常穎, 王大鵬 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)