什么是釹鐵硼磁控濺射滲鏑滲鋱?

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釹鐵硼晶界擴散技術有三種主流的制備工藝:蒸鍍擴散、磁控濺射和表面涂覆,本期我們來進一步了解通過磁控濺射實現滲鏑滲鋱的技術。

磁控濺射的方法與原理

磁控濺射其實是一種鍍膜的方法,屬于物理氣相沉積的一種,具有設備簡單、易于控制、鍍膜面積大和附著力強等優點。磁控濺射需要使用專門的設備,基片(被鍍膜的物體)和靶材(鍍膜物質,如銅、鋁等)放入設備中,抽真空后注入氬氣開始濺射反應。


(磁控濺射設備·圖片來源于網絡)

濺射過程如下圖,靶材在直流負高壓或射頻電壓作用下,在惰性氣體(如Ar氬氣)中產生輝光放電,電離出的氬離子在電場的作用下加速飛向基片,過程中又與Ar(氬)原子發生碰撞,電離出更多的Ar離子和電子。Ar離子在電場作用下加速轟擊靶材,靶材表面的原子脫離原晶格而逸出,轉移并沉積在基片表面成膜。



若將靶材置于磁場中,電子在加速飛向基片的過程中受到磁場洛侖磁力的影響,被束縛在靠近靶面的等離子區域內,在磁場作用下圍繞靶面做圓周運功,電子的運動路徑被加長,這樣和Ar原子碰撞的幾率增加,產生更多的Ar離子和電子,可以提高濺射的效率。同時電子只有在其能量將耗盡的時候,才能擺脫磁力的束縛,遠離靶材沉積到基片上,這樣基片升溫速度會大大減慢。

磁控濺射法具有高速、低溫、低損傷、穩定性好等特點。磁場分布、濺射速率、氣壓、電壓、靶基距等因素都會影響濺射效果。根據電流形式的不同,磁控濺射可分為射頻濺射、直流濺射和中頻濺射幾種。(射頻濺射目前不適用于工業生產)

燒結釹鐵硼磁控濺射滲鏑滲鋱

了解了磁控濺射的基本方法和原理,想必大家對燒結釹鐵硼采用磁控濺射滲鏑滲鋱也有了一個基本的認識。采用直流磁控濺射的方法,將燒結釹鐵硼作為基體,鏑或鋱金屬(純度>99.9%)作為靶材,在磁控濺射設備內注入氬氣后,電子與氬原子發生碰撞,產生氬離子和新的電子,氬離子在電場作用下加速轟擊靶材,靶材表面的鏑或鋱原子脫離原晶格而逸出,轉移并沉積在釹鐵硼表面(燒結釹鐵硼在進行磁控濺射前需要經過酸洗和超聲水洗)。這是磁控濺射滲鏑滲鋱的第一步。其中靶材

形成鍍膜后,需將試樣放置到真空燒結爐中進行擴散回火處理,這是第二步。磁體表面的鏑/鋱隨著高溫擴滲,經液相富Nd相進入磁體內部。一方面Dy/Tb可以改善Nd2Fe14B相之間的相互浸潤性,優化富Nd相的顯微組織和成分分布,另一方面,Dy具有較大的磁晶各向異性場,進入磁體內部后可以顯著提升磁體的矯頑力。

晶界擴散處理后磁體的磁性能

根據研究人員的研究試驗結果,N35燒結態和回火態磁體經滲鏑處理后磁體內鏑平均質量分數增加不超過0.4%,相對于原始樣品和再回火樣品而言,擴散處理后的樣品矯頑力都得到了大幅提高,且其剩磁基本上不降低,此外,燒結態樣品比回火態樣品矯頑力提升效果更明顯。N35燒結態和回火態磁體擴滲處理后其矯頑力增幅分別達73.5%和64.8%,而剩磁僅降低了0.009T和0.03T。(研究數據來源:燒結釹鐵硼磁體濺射滲鏑工藝與磁性能研究[J]. 李家節,郭誠君,周頭軍,饒先發,周慧杰,楊斌. 材料導報. 2017(02))

另有研究人員發現,鍍膜及磁體的厚度等因素對磁體最終性能都有影響。隨著鍍膜厚度增加,矯頑力逐漸提高,剩磁下降較;但當鍍膜超過一定厚度時,矯頑力并沒有進一步升高,而剩磁和磁能積卻明顯下降。這可能是因為膜厚增加到一定值后,Tb并不能進一步地擴散到磁體更深處,但剩磁和磁能積隨著Tb含量的過度增加而明顯下降。不同厚度的磁體涂覆相同厚度的Tb鍍層,再經過相同條件的熱擴散后發現,隨著磁體厚度的減少,矯頑力逐漸增加,剩磁和磁能積逐漸降低。其原因是隨著磁體厚度減小,Tb元素在磁體中分布的體積比增大,Tb與Fe的磁耦合現象更加明顯,因此剩磁和磁能積明顯下降。(研究數據來源:磁控濺射鍍鋱在燒結釹鐵硼中的晶界擴散研究. 武秉暉,肖松,李偉東,丁雪峰,冒守棟,史榮瑩,韋習成,宋振綸. 稀土. 2019(01))

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