[发明专利]一种高矫顽力MnBi纳米颗粒及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能材料领域中的硬磁材料，尤其是涉及一种高矫顽力MnBi纳米颗粒及其制备方法。

背景技术

永磁材料广泛应用于磁悬浮、医药设备及电动汽车、风力发电的马达系统等。随着新能源和电动汽车的发展，对高性能永磁材料的需求越来越大。目前大量应用的永磁材料主要包括铁氧体和稀土永磁。其中1/3为Ba或Sr六角铁氧体，其最大磁能积低于5MGOe，但成本相对较低，另外2/3是以稀土为基的稀土永磁材料包括SmCo5、Sm2(Fe,Cu,Zr,Co…)17(2:17)和Nd-Fe-B等，性能很高，成本也很高，其中Nd-Fe-B材料的磁性积已达到接近60MGOe的理论值。但由于稀土资源有限性和使用成本(尤其是需要添加重稀土提高矫顽力)的大幅度提高，开发无稀土类高性能永磁材料越来越成为世界各国磁性材料研究的重要方向之一。

低温相(LTP)MnBi合金具有高的磁各向异性(11.6×10⁶erg/cc)、居里温度约为633K，在150K～550K的温度范围内具有正的矫顽力温度系数，因此MnBi合金被认为是具有广泛应用前景的高温永磁材料。MnBi的铁磁性能主要来源于其低温相。MnBi合金在常温下可以形成多个紧密联系的相，如低温相、高温相还有新相等等，这在很大程度上制约了MnBi合金的发展，给制备高纯度低温相含量的MnBi合金带来了极大的困难。国内外的研究者们也尝试了许多种方法来提纯低温相，如固相烧结法、定向凝固法、磁场取向凝固技术、机械合金化工艺等等，但是直到目前还没有见到纯低温相MnBi合金的报道。由于MnBi合金具有优异的磁光性能，因此关于MnBi薄膜的报道也较为多见，对于MnBi薄膜的研究多集中于其高温相(HTP)和高温淬火相(QHTP)。

从结构与性能的角度看，MnBi低温相具有NiAs型晶体结构，属金属间化合物，质地硬脆，适用于球磨。此外，MnBi磁畴大小约为500纳米，其单畴颗粒的矫顽力理论值为4T。同时，行星球磨是制备金属粉末有效工艺，其操作具有简单易行，可控性和稳定性好的优点。因此，可通过行星球磨的方法制备MnBi单畴颗粒，最终获得高矫顽力MnBi纳米颗粒。

从应用的角度看，虽然MnBi的理论磁能积与稀土类永磁相比有一定差距，但远好于铁氧体、铝镍钴和Fe-Cr-Co等磁性材料，可以填补铁氧体和高性能稀土永磁体之间中档磁体的空隙。同时MnBi永磁体具有价格低廉、不易腐蚀、力学性能好等优点，特别是它在一定温度范围内矫顽力呈正的温度系数，可以弥补NdFeB永磁体的不足之处，它可以与NdFeB混合制成复合磁体，以期获得低矫顽力温度系数甚至零矫顽力温度系数以及具有较高永磁性能的磁性材料，这对开发高温工作电机很有意义。但是由于MnBi低温相是由包晶反应形成，极难制备单相合金，从而导致其磁性能偏低，极大地限制该类材料的应用。

综上所述，结构上完全实现B8₁有序化转变与性能上实现高磁化强度是密不可分的。如何找到之间的平衡点，即以尽可能实现优异、稳定的综合硬磁性能为前提，获得简单稳定制备工艺MnBi纳米颗粒，是当前MnBi硬磁合金材料研究中亟待解决的问题。

丰田自动车工程及制造北美公司在CN 104439269A专利中，公布了锰铋纳米粒子合成和退火，该湿化学方法可获得5～200nm锰铋纳米粒子。然而，该制备方法制备锰铋纳米粒子矫顽力只有1T有待进一步提高，因此该制备工艺条件有待进一步优化。

目前，通过调整合金成分和优化制备工艺在不同程度上改善了合金材料的磁性能，但仍然存在以下两个显著缺点：(1)结构上，对于获得低温相MnBi方法，并不能获得纯低温相，包含Bi相、Mn杂相；对通过等温退火高温相而获得低温相MnBi，需要复杂的快淬条带制备工艺；同时MnBi粉体未达到单畴尺寸；(2)性能上，由于结构上包含Bi相、Mn相杂相，很难获得优异的高的饱和磁化强度；同时MnBi粉体未达到单畴尺寸，很难实现高的矫顽力。

综上所述，目前市场上缺乏制备工艺简单，同时具备优异磁性能的MnBi合金材料及其制品。因此，开发一种制备MnBi纳米颗粒方法同时获得优异磁性能的MnBi合金对于当前Mn基合金材料的研究和应用具有极其重要意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高矫顽力MnBi纳米颗粒及其制备方法，该纳米颗粒材料兼具纯低温相相、综合磁性能优异，还可以通过简单易行的行星球磨工艺获得优异、稳定的性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：