Synergetisch effect van Dy2O3 en Ca-co-doteerstoffen op verbeterde coërciviteit van zeldzame aarde overvloedige RE-Fe-B-magneten

Resultaten en discussie

De monsters gegloeid bij 700 ° C werden geselecteerd om de fasebestanddelen te karakteriseren. Figuur 1 toont de röntgendiffractie (XRD) patronen van de gegloeide monsters. Alle samples bestonden voornamelijk uit RE₂ Fe₁₄ B-matrixfasen [5, 6]. Langzaam scannen van 37° tot 45° werd uitgevoerd om de roostervariaties te bestuderen na doping met Dy₂ O₃ en Ca, zoals weergegeven in figuur 1b. De roosterparameters, a en c , en het celvolume (Fig. 1c) werden geëvalueerd door Jade-software in termen van de XRD-patronen van Fig. 1b. De resultaten gaven aan dat Ca, als een enkele doteringsstof, duidelijke krimp veroorzaakte van de 2:14:1 fase kristalcel, wat wijst op de vervanging van Ca voor de zeldzame aardelementen, aangezien de Ca-metaalstraal veel groter is dan de waarde voor Fe [23]. De Dy₂ O₃ doteringsmiddel veroorzaakte ook krimp van de kristalcellen, wat suggereert dat Dy in de 2:14:1 fase komt. Met toenemende Dy₂ O₃ inhoud, werd de celkrimp ernstig, met lagere waarden van de roosterparameters. Over het voorbeeld met Dy₂ O₃ en Ca als co-doteermiddelen, de totale volumekrimp van ongeveer 0,0048 (nm ³ ) was boven de som van de waarden voor 2 gew.% Ca (0,0008 nm ³ ) en 7 gew.% Dy₂ O₃ (0,0032 nm ³ ) als enkele doteermiddelen, wat impliceert dat de Ca de krimp bevorderde door meer Dy-toegang tot de 2:14:1-fase.

een XRD-patronen van monsters gegloeid bij 700 ° C; b vergrote XRD-patronen met langzaam scannen van 37° tot 45°; c rooster parameters a , c en celvolume voor de monsters

Het thermisch magnetische gedrag van de monsters werd onderzocht om de doteringsbezetting in de 2:14:1 matrixfase verder te verduidelijken. Figuur 2 toont de variatie in magnetisatie van monsters die zijn uitgegloeid bij 700 ° C als functie van de temperatuur van 300 tot 700 K, waarbij het magnetische veld van 2 T werd aangelegd om het magnetische moment te verzadigen. Bij verwarming van de monsters vond de ferromagnetische-paramagnetische faseovergang van 2:14:1 fase plaats bij de Curie-temperatuur (T _C ). Zoals aangegeven in Fig. 2, T _C was licht verhoogd van 551,5 naar 557,3 K na doping met Dy₂ O₃ , maar het vertoonde een significante toename van 551,5 tot 564,5 K met Ca-doteringsmiddel. Er is een lichte verdere stijging van T _C van 564,5 tot 566,1 K na co-doping met Ca en Dy₂ O₃ . Deze kenmerken zijn consistent met de XRD-resultaten, wat de ingang van Dy of Ca in het rooster van 2:14:1 fase aangeeft. Er werd ook waargenomen dat de temperatuur van de heroriëntatie van de spin consistent varieerde met de doteermiddelen (gegevens worden hier niet getoond).

Magnetisatievariatie van de monsters met een temperatuur van 300 K tot 700 K

Afbeelding 3 toont typische magnetische hysteresislussen van de monsters die zijn gegloeid bij 700 °C. De coërciviteit nam toe en de verzadigingsmagnetisatie nam af in aanwezigheid van de doteermiddelen. De afhankelijkheid van de coërciviteit van de uitgloeitemperatuur wordt getoond in Fig. 4. Met Ca-doping was de coërciviteit van alle monsters enigszins verbeterd. Dy₂ O₃ doteringsmiddel was ook nuttig voor het verbeteren van de coërciviteit. Over doping met 7 gew.% Dy₂ O₃ , de coërciviteit nam toe van 2,44 tot 7,65 kOe toen het monster werd uitgegloeid bij 700 ° C. Hoewel de 2,3 gew.% Ca als een enkele doteringsstof niet bijdroeg aan een grote verbetering van de coërciviteit (ongeveer 1,2 kOe), Dy₂ O₃ en Ca als co-doteermiddelen veroorzaakten een significantere verhoging van de coërciviteit (ongeveer 9,1 kOe) dan het totale effect van elke individuele doteerstof (ongeveer 6,3 kOe), zoals weergegeven in figuur 4.

Magnetische prestaties bij kamertemperatuur van de monsters gegloeid bij 700 ° C. De zwarte pijl geeft een gebied aan met sterke domeinpinning

Coërciviteit van de monsters als functie van de gloeitemperatuur

Het co-gedoteerde monster gegloeid bij 700 ° C, dat de hoogste coërciviteit vertoonde, werd geselecteerd voor de microstructurele waarnemingen, zoals getoond in Fig. 5 en 6. Figuur 5a toont een helderveld TEM-beeld, dat een nanokristallijne structuur vertoont (inzet:corresponderend geselecteerd gebiedsdiffractiepatroon). Bovendien zijn er enkele grove korrels ingebed in de matrix. Scanning TEM (STEM) modus is geselecteerd om de chemische informatie te detecteren. Afbeelding 5 geeft de STEM-afbeelding weer, waarin donkere grove korrels verschijnen die op het monster stippelen. Door middel van energiedispersieve spectroscopie (EDS)-analyses kon worden aangetoond dat de donkere grove korrels hoge fracties van Dy en Ca bevatten in vergelijking met de andere regio's, zoals vermeld in tabel 1. Merk op dat de gehalten aan zuurstof en boor niet zijn opgenomen in tabel 1 omdat er minder EDS-nauwkeurigheid is voor de lichte elementen. Een verdere karakterisering van de elementaire chemie werd uitgevoerd door puntdetectie in EDS langs één grove korrel, zoals weergegeven in figuur 6. Figuur 6b geeft de elementaire concentraties op elke gedetecteerde plaats weer. Het is duidelijk dat er een Dy-rijke regio is met minder Ce en La.

een Helderveld TEM-beeld van de RE_13.6 Fe_78,4 B₈ met 7 gew.%Dy₂ O₃ en 2,3 gew.% Ca co-doteringsmiddelen (inzet:geselecteerd gebiedsdiffractiepatroon); b STEM-afbeelding met de donkere grove korrels

een Puntdetectie door EDS op RE_13.6 Fe_78,4 B₈ monster samen gedoteerd met 7 gew.%Dy₂ O₃ en 2,3 gew.% Ca, en b elementaire concentratie van elke gedetecteerde site

Zoals getoond in Fig. 5, kan de coërciviteit worden verbeterd door doping met Ca of Dy₂ O₃ . De co-doteermiddelen Ca en Dy₂ O₃ geven een sterke verbetering in vergelijking met elke afzonderlijke doteerstof alleen. Het is te zien dat de initiële magnetische curve van het co-gedoteerde monster een gemengd mechanisme van nucleatie en domeinwandpinning vertoont, zoals aangegeven door de pijl in Fig. 3. Wanneer het aangelegde veld minder dan 5 kOe is, is de initiële magnetische curve van het co-gedoteerde monster vertoont de kenmerken van de nucleatiemodus; nadat het externe veld hoger is dan 5 kOe, wordt de omkering van magnetische domeinen moeilijk, wat het kenmerk van domeinmuurpinning laat zien. Wat de microstructurele waarnemingen betreft, waren er enkele grove korrels met een hoge concentratie van het Dy-element (Fig. 5 en 6), die zouden kunnen fungeren als pinlocaties vanwege de hoge magnetokristallijne anisotropie.

XRD-analyse laat zien dat doping met Ca de a . deed krimpen -axis parameter en breidde de c . uit -axis parameter, tijdens doping met Dy₂ O₃ kromp zowel de a en de c asparameters (Fig. 1c). Krimp van zowel de a en de c asparameters traden op voor het monster met de co-doteermiddelen. De metaalstraal van de Pearson van Dy (0,1773 nm) is kleiner dan voor La (0,1877 nm), Nd (0,1821 nm) en Pr (0,1828 nm) [23]. Dus krimp van de eenheidscel van RE₂ Fe₁₄ B vindt plaats met toenemende hoeveelheden Dy. De Ca geeft er de voorkeur aan de RE-atomen te vervangen vanwege de grote metalen straal (0,1773 nm) [23], waardoor de c uitdijt -as parameter. Niettemin is het celvolume van RE₂ Fe₁₄ B is verminderd vanwege de krimp van de a -asparameter na dotering met Ca. In tegenstelling tot het monster met 7 gew.% Dy₂ O₃ , de krimp van beide a en c verscheen na extra doping met Ca, in plaats van de krimp van de a parameter alleen, zoals in het geval van Ca enkelvoudige doping.

Zoals eerder gemeld, veroorzaakte het mechanische malen met hoge energie een gedeeltelijk amorfe legering en vond herkristallisatiegedrag plaats in de gemalen legeringen tijdens het nagloeien bij relatief lage temperatuur [22]. Volgens de standaard elektrodepotentiaal [24] heeft Ca (-2,868 V) een lager potentieel dan de zeldzame aardelementen die bij dit werk zijn betrokken, terwijl Dy (-2,295 V) het hoogste potentieel heeft van de zeldzame aardelementen. Gebruikmakend van de chemische potentiaalverschillen, vond een reductie-diffusieproces plaats tussen Ca en de zeldzame-aardoxiden bij de fabricage van de zeldzame-aarde permanente magneten [20, 21]. Er zou dus een reductieve reactie optreden tussen de Ca en Dy₂ O₃ tijdens het mechanisch frezen en nagloeien. De gereduceerde Dy-atomen kunnen deelnemen aan de herkristallisatie van RE₂ Fe₁₄ B-fase, wat suggereert dat de Ca de ingang van Dy in de 2:14:1-matrix zou kunnen verbeteren in plaats van zijn eigen ingang. Bovendien zou deze lokale reductiereactie elementaire diffusie en mobiliteit kunnen bevorderen, wat resulteert in de vorming van enkele grove korrels, zoals getoond in Fig. 5 en 6, die een grote hoeveelheid Ca en Dy bevatten. Daarom was de coërciviteit significant verbeterd voor de co-doteringsmiddelen vanwege de significante toename in magnetokristallijne anisotropie afkomstig van meer Dy in de 2:14:1 fase. Een betere magnetische prestatie zou ook kunnen worden verwacht als het spoor CaO zou kunnen worden verwijderd.