添加Dy/Gd/Er的AlNiCo磁体具有正磁化温度系数

《Journal of Alloys and Compounds》：Positive temperature coefficient of magnetization in AlNiCo magnets with Dy / Gd / Er addition

重稀土（Dy, Gd, Er）掺杂AlNiCo合金通过形成HRE-rich 2:17型相改变磁结构，导致正磁化温度系数（PTC），其中Gd主要富集于2:17相，Dy和Er分布在α?/α?相中，Dy更倾向α?相，机理为HRE子晶格磁矩增速超过3d原子磁矩衰减。

　　

胡天宇|刘磊|于晓强|赵江涛|于向涛|孙英丽|丁勇|严阿鲁

江西省磁性金属材料与器件重点实验室，江西理工大学稀土学院，赣州341000，中国

摘要

重稀土（HRE）元素与Fe/Co/Ni发生反铁磁耦合，从而对dM/dT产生正向贡献。本研究通过真空感应熔炼制备了AlNiCo和AlNiCo-10 wt% Dy、Gd或Er合金。所有含HRE的合金均保留了经典的α?/α?自旋动力学结构，同时析出了富HRE的2:17型相。Gd几乎完全存在于2:17型相中，而Dy和Er则分布在α?和α?两种相中，其中Dy更倾向于富FeCo的α?相。因此，掺Dy、Gd和Er的磁体在5–280 K、80–200 K和5–220 K的温度范围内表现出正的温度系数（PTC），而未掺杂的磁体则遵循传统的负温度系数。这种温度系数的变化可以通过HRE亚晶格磁矩随温度升高的增长速度快于3d原子磁矩的减小速度来解释。本研究表明，添加HRE为调节AlNiCo磁体的温度稳定性提供了额外的自由度。

引言

永磁体如铁氧体、AlNiCo、SmCo和Nd–Fe–B在能量转换、传感和微波器件中发挥着重要作用[1][2][3][4]。其中，AlNiCo具有高居里温度（T_C ≈ 850 ℃）、优异的化学稳定性和低温度下的矫顽力系数，使其成为陀螺仪、加速度计、磁力计和行波管等设备的首选材料[5][6][7][8]。然而，商用AlNiCo的剩磁（Br）随温度升高而下降约0.022% °C?1[9]，这一数值已无法满足下一代惯性仪器的精度要求。传统的优化方法（如提高Co含量、添加Ti/Ta/Nb或改善自旋动力学结构）已接近极限[10][11]。其原因在于，商用AlNiCo的矫顽力来源于BCC结构的FeCo富集α?相和NiAl富集α?相的纳米级自旋动力学分解[12][13][14]；一旦这两种相的尺寸和体积分数达到最优，进一步调整带来的收益非常有限。相比之下，重稀土（HRE）元素能与Fe、Co和Ni发生反铁磁耦合，在Sm₂Co₁₇体系中产生正的dM/dT效应[15][16][17][18][19]。因此，在AlNiCo中引入可控量的HRE可能会改变其温度系数。然而，HRE在自旋动力学分解后的α?/α?结构中的分布及其对磁化强度温度依赖性的影响尚待研究。

在本研究中，我们制备了AlNiCo和AlNiCo-10 wt% HRE（HRE = Dy、Gd、Er）合金，并将其微观结构与磁化强度的温度依赖性进行了关联分析。通过合理的HRE添加，我们成功实现了AlNiCo的正温度系数，明确了其背后的机制。

实验方法

AlNiCo锭采用真空感应熔炼法制备。锭材通过线切割电火花加工（EDM）加工成直径7 mm的圆柱形样品。样品在0.4 T的磁场下加热至1250 ℃并保持7分钟，然后以9 °C/s的速率空气冷却至400 ℃以下。随后在802 ℃下对样品施加0.4 T的磁场并保持13分钟。最后，AlNiCo磁体分别在650 ℃下回火3小时、600 ℃下回火8小时。

结果与讨论

共制备了四种磁体：AlNiCo、AlNiCo-Dy、AlNiCo-Gd和AlNiCo-Er。基础AlNiCo磁体的名义组成为35Fe-34Co-14Ni-7Al-3Cu-6Ti-1Nb（重量百分比）。掺HRE的磁体名义组成为(AlNiCo)??HRE??（HRE = Dy、Gd、Er，重量百分比）。实际组成通过X射线荧光（XRF）测定，结果与名义值非常接近。 粉末X射线衍射图谱使用Fullprof软件进行Rietveld精修，以确定相结构。

结论

综上所述，通过添加Dy、Gd和Er，成功制备出了具有正温度系数的AlNiCo磁体。主要结论如下：

(1) 与未掺杂的AlNiCo磁体相比，掺HRE的磁体由自旋动力学分解的α?/α?相以及富HRE的2:17型相组成。三种HRE元素的分布行为存在显著差异：Gd主要分布在2:17型相中。

未引用参考文献

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CRediT作者贡献声明

丁勇：资源支持。 孙英丽：指导、资源提供、资金争取。 严阿鲁：资源支持。 赵江涛：资金争取。 于晓强：撰写、审稿与编辑、指导、资源提供、资金争取。 于向涛：资金争取。 刘磊：撰写、审稿与编辑、指导、资源提供、概念构思。 胡天宇：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法设计、数据分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号2022YFB3807900）、中国科学院青年创新促进协会（2023311）、宁波市青年科技创新领军人才项目（2024QL002）以及江西省磁性金属材料与器件重点实验室（项目编号2024SSY05061）的支持。