[发明专利]纳米化、强磁场双促进法制备氮化铁材料的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于磁性材料技术领域，具体涉及氮化铁材料的制备方法。

背景技术

氮化铁主要包括Fe₂N、ε-Fe₃N、γ′-Fe₄N和α″-Fe₁₆N₂等，它们大都具有优异的软磁性能和良好的耐腐蚀和抗氧化性，是理想的磁纪录材料和磁感元件材料。近年来，氮化铁材料的研究和开发在国际上相当活跃，并已经取得很大进展。

早在1972年，日本东北大学就通过在N₂气氛中蒸发铁的方式，在玻璃基片上得到了多晶的氮化铁薄膜(是α-Fe和α″-Fe₁₆N₂的混合物)，测得α″相的饱和磁化强度是2.83T，这是人类发现的饱和磁化强度最大材料，被称为“巨磁矩”材料。但这种α″-Fe₁₆N₂是一个亚稳相，生成区间比较窄，它的制备技术还不完善。

目前制备α″-Fe₁₆N₂的主要方法之一是采用含氮气氛氮化法。当NH₃和H₂混合气氛通入铁粉或薄膜进行氮化时，在奥氏体温区可形成奥氏体氮化铁γ-Fe(N)。氮化后如果缓慢冷却，它将转变成含氮的α-Fe和γ′-Fe₄N。如果快速淬火到室温或更低温度，γ-Fe(N)的相分解被抑制，可形成一种称为α′相的马氏体氮化铁。这种α′相在120℃至250℃温区回火，将形成γ-Fe(N)、α′相和α″-Fe₁₆N₂的三相混合物。但由于奥氏体氮化铁γ-Fe(N)中氮的饱和溶解度的限制，混合物中α″-Fe₁₆N₂成分所占的比例仅为39～56％之间。

在α″-Fe₁₆N₂中，铁原子排列为体心四方结构，其晶包由8个膨胀变形了的体心立方结构α-Fe单包组成，氮原子有序地占据48个八面体间隙位置中的两个。从理论上讲应该有一种低温氮化的方法直接制备α″-Fe₁₆N₂。但困难在于：在低温度氮化，整个氮化过程会变得及其缓慢，在相对高些的温度(250℃～450℃)氮化后又有大量的γ′-Fe₄N等氮化物生成。所以必须设法加速低温氮化过程，同时抑制γ′-Fe₄N生成，才可能直接制备出α″-Fe₁₆N₂。

近年来，由于超导技术的快速发展，10T以上的强磁场的应用已受到广泛关注。在强磁场中，因其强大的磁化作用，顺磁物质的Gibbs自有能将有所降低。通常铁磁材料的自有能降低最为明显，其降低程度和磁场强度以及饱和磁化强度等相关。由于α″-Fe₁₆N₂的“巨磁矩”特性，在强磁场中析出这种物质后，整个氮化反应体系的自由能会降低。所以强磁场的施加有利于α″-Fe₁₆N₂的形成。

对粗晶结构的α-Fe执行气体氮化时，在反应温度低于250℃时，氮化反应无法进行，而当反应温度较高时，γ′-Fe₄N等氮化物又易于形成，这使得α″-Fe₁₆N₂的制备变得相当困难。

发明内容

针对目前氮化铁材料制备方法存在的不足之处，本发明提供一种纳米化、强磁场双促进法制备氮化铁粉末或薄膜的方法及装置。

本发明装置为强磁场气体氮化炉，其反应器内壁为不锈钢内壁，不锈钢内壁外依次是电加热体和水冷套。水冷套外侧设置有磁场发生装置。反应器设置有上端盖和下端盖，反应器内部设置有物料容器，热电偶穿过上端盖伸入反应器内部，进气管穿过下端盖与反应器内部连通。进气管有两个支管，即氢气管线和氨气管线，两个支管分别设置有氢气阀门和氨气阀门。排气管穿过上端盖与反应器内部连通，排气管的另一端与废气净化器连通，废气净化器设置有尾气排放管。在排气管上设置一支管与氨分解率测量仪连通，支管上设置采样阀。

本发明的纳米化、强磁场双促进法制备氮化铁材料的方法如下。

首先通过某种方法制备纳米纯铁粉末或纳米纯铁薄膜，要求所制备的纳米纯铁粉末的粉体直径或晶粒尺寸为5～50nm，纳米纯铁薄膜的厚度为10～100nm，以便产生明显的尺寸效应，从而在后续氮化过程中有效降低反应温度并加速氮化反应动力学过程。