摘要
近年来，MnBi合金作为一种新型的无稀土高性能永磁材料受到广泛关注。MnBi合金是稀土永磁在中高温环境下的潜在替代材料，因为它不仅具有较高的內禀矫顽力和良好的饱和磁化强度及磁能积，而且矫顽力在一定温度范围内具有正温度系数和磁光特性。但是在制备MnBi合金时，Mn与MnBi液相很容易在包晶反应过程中发生分离，难以获得纯低温MnBi相合金。因此实验结果与MnBi理论性能之间仍存在较大差距。元素掺杂被认为是改善磁性能的一种方法，可以通过合金化影响MnBi合金的相结构和磁性能。为了得到性能较好的样品，本文采用电弧熔炼法、快淬法和热处理工艺制备LTP相MnBi合金，系统研究了第三种元素掺杂对MnBi合金相结构及其磁性能的影响规律，以期获得高性能的MnBi永磁合金材料。本文主要包括以下几方面内容： 1、工艺条件对MnBi合金磁性能的影响 采用快淬及热处理工艺来制备MnBi合金。通过设定不同铜辊速度和后续真空退火工艺来获得不同性能的MnBi合金薄带，研究工艺参数对MnBi合金的磁性能的影响，对工艺条件进行优化。总结出制备MnBi永磁合金薄带最优工艺参数为铸锭进行预退火24h，铜辊线速度30m/s，在523K真空热处理，保温10min。 2、合金化对MnBi合金相结构和磁性能的影响 在上述具体工艺优化的基础上，选择C（非金属小原子）、Fe（过渡族金属原子）和Zr（金属小原子）三种不同类型元素作为MnBi合金的掺杂元素，分别研究这三种元素对MnBi永磁合金的磁性能和相结构的影响规律。详细研究结果如下： （1）掺杂C原子含量为2at%时，MnBi快淬带的磁性能最佳，同时提高了內禀矫顽力和饱和磁化强度。 （2）Fe元素可以抑制Mn原子的偏析，促进LTP MnBi相形成，提高了MnBi合金的饱和磁化强度。 （3）随着Zr元素的加入，退火样品的LTP MnBi相含量从无Zr样品中的10%增加到掺入1at%Zr原子样品中的65%，且Ms的最大值达到40emu/g。当掺入Zr含量为3at%~5at%时，样品中的LTP MnBi相含量逐渐减少，Ms逐渐降低。随着Zr元素的加入，MnBi合金的內禀矫顽力呈先减小后增大趋势。 （4）三组实验中，掺杂Fe和Zr的比C的效果好，且MnBiFe和MnBiZr系列合金的性质相差不多，MnBiZr系列合金的磁滞回线的方形度更好。 3、MnBiZr永磁合金的磁化行为研究 利用Kronmüller-Plot拟合分析MnBiZr永磁合金的內禀矫顽力机理，并通过通过一阶反转曲线（FORC）和Henkel-plot（δM）曲线深入分析合金的交换耦合作用。研究表明未掺杂和掺杂Zr的MnBi合金均为反磁化成核机理。随着Zr元素的增加，內禀矫顽力呈现先减小后增大的变化规律。1at%Zr原子掺杂后MnBi合金的交换耦合作用增强，矫顽力减小。当Zr元素的掺杂含量大于3at%时，对MnBi合金內禀矫顽力的影响是交换耦合与晶粒细化共同作用，相结构显示Zr的添加有利于细化晶粒，更细的粒度导致晶体场各向异性的提高，极大地提高MnBi的內禀矫顽力。 MnBiZr合金的矫顽力的温度系数最大为6.7%/K。当Zr掺杂含量从0增加到5at%时，MnBiZr合金的Tc从620K下降到600K。
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