專利名稱：磁交換耦合的核-殼納米磁體的制作方法
磁交換耦合的核-殼納米磁體相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2010年11月15日申請的、題為“磁交換耦合的核-殼納米磁體(Magnetic Exchange Coupled Core-Shell Nanomagnets) ” 的美國臨時(shí)專利申請61/413，869的優(yōu)先權(quán)，通過引用的方式將其合并于此。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，永久磁體廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用領(lǐng)域，包括諸如電動車和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電動機(jī)應(yīng)用。不幸的是，很多永久性磁體的性能在高溫時(shí)會降低，這使得它們不適合于某些應(yīng)用中，例如，溫度經(jīng)常超過150攝氏度(°C)的電動機(jī)應(yīng)用。此外，很多永久性磁體由昂貴的材料制成，例如，貴重金屬或者稀土金屬，這使永久性磁體具有有限的可用性。作為例子，一些包括Nd2Fe14B、鏑摻雜的Nd2Fe14B、SmCo和Sm2Fe17N3的稀土磁體已經(jīng)用于或者考慮用于混合電動機(jī)和電動車。這種磁體中的Nd2Fe14B通?？商峁┳罡叩淖畲蟠拍芊e(BH)max。然而，該磁體的工作溫度限制在大約150°C，這歸因于大約為310到400°C的低居里溫度。此外，磁化強(qiáng)度隨著溫度降低，并且通常會在居里溫度附近消失。為了提高工作溫度，可在磁體中加入鏑，但是，在磁體中加入鏑會提高矯頑力，并降低磁化強(qiáng)度。因此，替代效果相對的不明顯。因此，本領(lǐng)域需要一種至今尚未解決的能夠在高溫下有效的工作的廉價(jià)永磁體。
參考附圖能夠更好的理解本發(fā)明。附圖中的元件并沒有按照彼此之間的實(shí)際尺寸來繪制，而將重點(diǎn)放在了清楚地示出本發(fā)明的原理上。此外，在一些附圖中，相同的參考標(biāo)記表示相應(yīng)的部件。圖1示出了具有由軟磁性殼包圍的硬磁性核的納米磁性顆粒的示例性實(shí)施方式。圖2是具有由軟磁性殼(坡莫合金)包圍的硬磁性核(MnAl)的納米磁體顆粒的最大磁能積(BH)max的圖。圖3是具有由軟磁性殼包圍的硬磁性核(τ -MnAl)的納米磁體顆粒在300開爾文(K)處的、基于硬磁相的(BH)max的體積分?jǐn)?shù)(fh)圖，其中，Mr/Ms = 1，并且軟殼的飽和磁化在1.3到2.2T的范圍之間。圖4是具有由軟磁性殼包圍的硬磁性核(τ -MnAl)的納米磁體顆粒在300開爾文(K)處的、基于硬磁相的(BH)max的體積分?jǐn)?shù)(fh)圖，其中，Mr/Ms = 0.7，并且軟殼的飽和磁化在1.3到2.2T的范圍之間。圖5是具有由軟磁性殼包圍的硬磁性核(τ -MnAl)的納米磁體顆粒在450開爾文(K)處的、基于硬磁相的(BH)max的體積分?jǐn)?shù)(fh)圖，其中，Mr/Ms = 1，并且軟殼的飽和磁化在1.3到2.2T的范圍之間。圖6是具有由軟磁性殼包圍的硬磁性核(τ -MnAl)的納米磁體顆粒在450開爾文(K)處的、基于硬磁相的(BH)max的體積分?jǐn)?shù)(fh)圖，其中，Mr/Ms = 0.7，并且軟殼的飽和磁化在1.3到2.2T的范圍之間。圖7是具有由軟磁性殼包圍的硬磁性核(MnBi)的納米磁體顆粒在300開爾文(K)處的、基于硬磁相的(BH)max的體積分?jǐn)?shù)(fh)圖，其中，MyMs= 1，并且軟殼的飽和磁化在1.3到2.2T的范圍之間。圖8是具有由軟磁性殼·包圍的硬磁性核(MnBi)的納米磁體顆粒在450開爾文(K)處的、基于硬磁相的(BH)max的體積分?jǐn)?shù)(fh)圖，其中，MyMs= 1，并且軟殼的飽和磁化在1.3到2.2T的范圍之間。圖9是具有由軟磁性殼包圍的硬磁性核(BaM)的納米磁體顆粒在300開爾文(K)處的、基于硬磁相的(BH)max的體積分?jǐn)?shù)(fh)圖，其中，MyMs= 1，并且軟殼的飽和磁化在1.3到2.2T的范圍之間。圖10是具有由軟磁性殼包圍的硬磁性核(BaM)的納米磁體顆粒在450開爾文(K)處的、基于硬磁相的(BH)max的體積分?jǐn)?shù)(fh)圖，其中，MyMs= 1，并且軟殼的飽和磁化在1.3到2.2T的范圍之間。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明總體上涉及磁交換耦合的核-殼納米磁體。在一個(gè)示例性的實(shí)施方式中，永久性磁體被制造成具有由薄軟磁性殼包圍的硬磁性核。所述硬磁性核可提供相對高的矯頑力(Hcd)，并且所述軟磁性殼可提供相對高的磁通密度(B)。由于核和殼之間的磁交換耦合，可在寬溫度范圍內(nèi)(包括高于150°C的溫度)實(shí)現(xiàn)相對高的最大磁能積(BH)max。此夕卜，無需使用稀土金屬或者貴重金屬即可實(shí)現(xiàn)該效果，這有助于使磁體的制造成本保持為較低。為了允許在核和殼之間進(jìn)行充分的磁交換耦合，而控制整個(gè)殼的厚度，以使殼的寬度小于核的布洛赫(Bloch)疇壁厚度的兩倍。圖1示出了示例性的核-殼納米磁性顆粒，所述核-殼納米磁性顆粒12被制造成具有由硬磁性材料組成的核14和由軟磁性材料組成的殼15。在一個(gè)不例性的實(shí)施方式中，核14的材料包括錳、鋁、鉍、鍶、鉛、鐵或氧(至少有一個(gè)硬磁性元素，但更優(yōu)選的是具有至少兩個(gè)硬磁元素)，殼的材料包括鐵，鈷，鎳，鋁，硅，氮或氧(至少有一個(gè)軟磁性元素，但更優(yōu)選的是具有至少兩個(gè)軟磁性元素)。作為例子，硬磁性核14可由鋁化錳(MnAl)、M型六角鐵氧體(BaFe12O19)或猛秘(MnBi)組成,軟磁性殼15可以由Fe65Co35,坡莫合金(Fe2tlNi8tl)或鐵硅鋁磁合金(FeAlSi)組成。然而，在其它實(shí)施方式中，其它元素和/或元素的組合也是可能的。如同核14 一樣，核-殼顆粒12的形狀通常是球形，然而，在其他實(shí)施方式中，它還可以具有其他形狀，例如，針狀或者六角形。此外，殼15形成了環(huán)繞并包圍核14的中空的球體,并且核14填充在所述中空球體的空間內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方式中，其他形狀(例如，圓柱形、立方體形、或者六角形)的殼15也是可能的。在一個(gè)示例性的實(shí)施方式中，殼15的厚度(δ s)大約為20nm到40nm之間，該厚度小于核14的布洛赫(Bloch)疇壁厚度的兩倍。此夕卜，圍繞著核14的殼15的厚度是均勻的。然而，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，在其他實(shí)施方式中，核-殼顆粒12的其他形狀和配置也是可能的。核-殼顆粒12的(BH) _可由以下公式表示(假設(shè)Mr = Ms):(I)Mr = fhMh+fsMs,當(dāng) Ms = Mr 時(shí)，一等式(6)，R.Skomski
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(2)
權(quán)利要求
1.一種核-殼納米磁體顆粒(12),包括: 硬磁性材料的核(14)和 用于包圍所述核的軟磁性材料的殼(15), 其中，所述殼的厚度小于40納米，并且小于所述核的布洛赫疇壁厚度的兩倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核-殼納米磁體顆粒，其中，圍繞著所述核的所述殼的厚度是均勻的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核-殼納米磁體顆粒，其中，所述核不包括稀土元素。
全文摘要
永久性磁體(12)被制造成具有由薄軟磁性殼(15)包圍的硬磁性核(14)。所述硬磁性核可提供相對高的矯頑力(Hci)，并且所述軟磁性殼可提供相對高的磁通密度(B)。由于所述核和殼之間的磁交換耦合，可在寬溫度范圍內(nèi)，包括高于150℃的溫度，實(shí)現(xiàn)相對高的最大磁能積(BH)max。此外，無需使用稀土金屬或者貴重金屬即可實(shí)現(xiàn)該效果，這有助于使磁體的制造成本保持為較低。為了允許在所述核和殼之間進(jìn)行充分的磁交換耦合，所述殼的寬度小于約40納米，并且控制整體尺寸，以使所述殼的寬度小于所述核的布洛赫疇壁厚度的兩倍。
文檔編號G11B5/00GK103221998SQ201180054617
公開日2013年7月24日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月15日
發(fā)明者Y-K·洪, S·白 申請人:代表阿拉巴馬大學(xué)的阿拉巴馬大學(xué)理事會