具有納米晶體結構的、各向異性無稀土的、結合基質的高性能永磁體和其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種根據(jù)主權利要求的方法和對應的產(chǎn)品。
【背景技術】
[0002] 由于稀土的供應風險和高價格，尋求用于制造永磁體的新的無稀土的解決方案。 稀土特別地用于永磁體的制造。傳統(tǒng)的無稀土永磁體材料對于新技術應用展示出過低的能 量密度，例如使用鐵、鈷、鎳或鐵氧體，或者從經(jīng)濟的角度太過昂貴，例如FePt。
[0003] 除了合金成分之外，磁體材料的永磁特性還決定性地由結構或微結構確定。對應 于微磁學理論以及基于實驗發(fā)現(xiàn)，已知通過由單域的納米級結構構成的微結構構造，能夠 實現(xiàn)高矯頑場強（K：oerzirivfeidsiiirk.e)。這使得能夠由納米級磁體塊構造無稀土的大功 率磁體。新的納米技術合成方法使得能夠制造具有形狀各向異性和晶體各向異性的組合的 單晶單域磁性納米顆粒。為了構造宏觀的磁體，必須將磁性納米顆粒嵌入有機或無機絕緣 基質，以便不僅保護其免于環(huán)境影響和由此產(chǎn)生的腐蝕過程，而且制造具有對應的機械、電 氣和熱特性的永磁體。特別是為了減小渦流，大電阻是有利的。由此形成的大功率磁體能 夠有利地在高效率傳動裝置和發(fā)電機中使用。
[0004] 為了制造這種磁性和電氣優(yōu)化的體積磁體，必須滿足多個標準。
[0005] 傳統(tǒng)的永磁體例如借助燒結技術（1)或者借助塑料粘結（2)來制造。
[0006] 傳統(tǒng)的燒結技術方法使得能夠借助在壓制和燒結過程之前在磁場中對齊粉末微 粒來制造各向異性磁體。對于如此制造的基于稀土的磁體，由于微晶體粒度處于幾ym范 圍內，矯頑場強是有限的，必須通過非常昂貴并且稀少的重稀土金屬、例如Dy或Tb制成合 金來進行補償。由于矯頑場的不利溫度系數(shù)，隨著工作溫度升高，必須附加地增加該份額。 由于渦流損耗對磁體的加熱，相應地需要使用更大份額的昂貴的重稀土金屬。作為這種所 謂的燒結磁體的替換，傳統(tǒng)上還制造塑料粘結磁體。為此，將幾十至幾百微米大小的、基于 稀土的磁性顆粒嵌入熱固性塑料或熱塑性塑料基質中。在此，產(chǎn)生由盡可能大份額的磁性 顆粒和基質構成的混合物，也可以稱為復合物。隨后，借助注塑、也稱為注塑成型（其能夠 實現(xiàn)高達60vol%的磁體份額）或者壓制成型、也稱為壓縮成型（其能夠實現(xiàn)高達80vol% 的磁體份額）將該混合物加工成體積磁體。與前面描述的燒結磁體相比，塑料粘結磁體的 磁性能量密度由于被所使用的基質稀釋而減小。
[0007] 對于通過將納米顆粒嵌入基質中來產(chǎn)生納米復合配方、也可以稱為復合物，傳統(tǒng) 上不需要高的填充率。相反，由于加工困難，傳統(tǒng)上嘗試通過最小的納米顆粒量來實現(xiàn)最大 的效果。例如，傳統(tǒng)上對于有機基質中的碳納米管或者SiOjft米顆粒，實現(xiàn)了高達15vol% 的填充率。因為高性能的永磁體需要高填充率，因此對于基于納米顆粒的磁體，使用這種傳 統(tǒng)的標準方法達不到目的。
[0008] W0 2013/010173A1公開了一種納米結構磁性合金成分，其用于制造用于機電和 電子裝置的永磁體的磁性納米復合材料，并且具有鐵鎳合金。
[0009] CN102610346A公開了一種無稀土的納米復合永磁材料，其具有錳、鋁、鉍和鋁與 錳、鋁和鉍的合金產(chǎn)生的永磁相和阿爾法鐵產(chǎn)生的軟磁相。

【發(fā)明內容】

[0010] 本發(fā)明要解決的技術問題是，以簡單的方式可靠地制造具有納米晶體結構的高效 永磁體。特別地，應當能夠制造特別是滿足以下標準的磁性和電氣優(yōu)化的體積磁體：高填充 率、沿著磁軸平行地對齊的均勻的顆粒分布、磁性顆粒在對齊之后位置固定的粘結以及磁 性和電氣去耦。特別地，制造過程控制應當克服納米顆粒的大的表面與體積比。
[0011] 上述技術問題通過根據(jù)主權利要求的方法和根據(jù)并列權利要求的產(chǎn)品來解決。
[0012] 根據(jù)第一方面，提出了一種制造永磁體的方法，具有以下步驟：合成無稀土的鐵磁 各向異性納米顆粒；借助物理或物理-化學沉積實現(xiàn)基質對所合成的納米顆粒的涂覆；對 引入到外部磁場中和模具中的涂覆有基質的納米顆粒進行定向和成型。
[0013] 根據(jù)第二方面，要求保護借助根據(jù)主權利要求的方法產(chǎn)生的永磁體。
[0014] 鐵磁特別地意味著具有非常大的磁導率數(shù)和正磁化率并且磁場顯著加強。
[0015] 各向異性特別地意為具有與方向有關的特性、特別是磁特性。
[0016] 納米顆粒具有納米級的并且這里特別地強制單域特性并且是單晶的尺寸。
[0017] 本發(fā)明涉及無稀土永磁體的構造，其磁特性，例如磁化、矯頑力和能積，超過傳統(tǒng) 的無稀土永磁體的特性。在此提出的無稀土磁體的磁特性的改善使得能夠在電動機和發(fā)電 機中代替?zhèn)鹘y(tǒng)上使用的基于稀土的永磁體。為此，由也可以稱為納米顆粒的納米級的單域 微粒構造磁體。這種磁性優(yōu)化的微結構使待實現(xiàn)的矯頑場最大化，并且借助合適的材料選 擇還能夠實現(xiàn)大的磁化。在磁性納米顆粒上沉積有利的是薄的基質層。基質層的厚度特別 地處于納米范圍內。
[0018] 結合從屬權利要求，要求保護其它有利實施方式。
[0019] 根據(jù)一個有利實施方式，基質的沉積可以借助激光燒蝕、原子層沉積、化學氣相沉 積、離子束輔助沉積、分子束外延或者電子束蒸發(fā)進行，例如借助在大氣壓或低壓下通過物 理氣相沉積、特別是激光燒蝕、離子束輔助沉積（還有濺射）、分子束外延、電子束蒸發(fā)、化 學氣相沉積、特別是原子層沉積、等離子體輔助沉積的沉積或者熱噴涂。
[0020] 根據(jù)另一個有利實施方式，基質可以由有機材料、特別是塑料構成。
[0021] 根據(jù)另一個有利實施方式，塑料可以是熱塑性塑料或者熱固性塑料。
[0022] 根據(jù)另一個有利實施方式，塑料可以是聚苯硫醚、聚酰胺或環(huán)氧樹脂。
[0023] 根據(jù)另一個有利實施方式，鐵磁各向異性納米顆粒可以在工業(yè)上簡單地合成。各 向異性特別地是關于形狀或者晶體結構。
[0024] 根據(jù)另一個有利實施方式，納米顆?？梢跃哂行净蛐?殼構造，并且任選地累積 地具有保護外殼。殼可以是軟磁性的。盡可能薄的、特別是在納米范圍內延伸的保護外殼 保護納米顆粒免于腐蝕和氧化。此外，外殼減少各個顆粒的結塊，由此一方面對于矯頑場減 少顆粒之間的不良接觸，另一方面提高了體積磁體的待實現(xiàn)的各向異性。保護外殼例如可 以由C和/或Si02構成。
[0025] 根據(jù)另一個有利實施方式，在對合成的納米顆粒進行涂覆期間，可以借助分布裝 置、特別是流化床（Wirbelbett)使得合成的納米顆粒在空間上分布。
[0026] 根據(jù)另一個有利實施方式，在對合成的納米顆粒進行涂覆之后，合成的納米顆粒 可以以粉末形式存在。
[0027] 根據(jù)另一個有利實施方式，定向和成型可以同時進行。
[0028] 根據(jù)另一個有利實施方式，在進行成型時或之后，基質涂層可以固化或硬化，或者 可以形成交聯(lián)或者聚合的基質涂層。
[0029] 根據(jù)另一個有利實施方式，固化或硬化可以被激活，特別是被熱激活。
[0030] 使用催化劑的化學激活也是可以的。
[0031] 根據(jù)另一個有利實施方式，納米顆?？梢跃哂蠧o、Fe、Ni或Μη。納米顆粒可以由 氣相或者借助研磨通過濕法化學（nasschemisch)合成。
[0032] 根據(jù)另一個有利實施方式，芯可以由軟磁材料構成，并且殼可以由硬磁材料構成， 或者可以與其相反地構造。
[0033] 根據(jù)另一個有利實施方式，保護層可以由碳構成，并且借助在幾個小時的時間段 內并且在大約250°C至350°C范圍內的溫度下在有機液體中存儲納米顆粒來產(chǎn)生。
[0034] 根據(jù)另一個有利實施方式，保護層可以由二氧化硅構成，并且借助硅烷化合物在 極性溶劑中的水解和縮聚來產(chǎn)生。
[0035] 根據(jù)其它有利實施方式，借助根據(jù)本發(fā)明的方法產(chǎn)生的所有永磁體包含在本申請 的保護范圍內。
【附圖說明】
[0036] 根據(jù)實施例結合附圖詳細描述本發(fā)明。其中：
[0037] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明使用的納米級磁體構成單元的第一實施例；
[0038] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明使用的納米級磁體構成單元的第二實施例；
[0039] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例；
[0040] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的另一個實施例；
[0041] 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的永磁體的實施例。
【具體實施方式】
[0042] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明使用的納米級磁體構成單元1的一個實施例。根據(jù)本發(fā)明， 由于作為具有形狀和晶體各向異性的組合的納米級單域微粒的結構構造，永磁特性得到改 善。由