NdFeB纳米复合永磁材料的交换耦合相互作用和有效各向异.pdf

第53卷第9期2004年9月物理学报Vol.53,No.9,September,2004
100023290P2004P53(09)P3171206ACTAPHYSICASINICAn2004Chin.Phys.Soc.

NdFeB纳米复合永磁材料的交换耦合相互作用
和有效各向异性3

冯维存1)2)高汝伟1)­韩广兵1)朱明刚2)李卫2)
1)(山东大学物理与微电子学院,济南250100)
2)(钢铁研究总院功能材料研究所,北京100081)
(2003年12月19日收到;2004年1月16日收到修改稿)

以Nd2Fe14BPα2Fe为例,采用立方体晶粒结构模型,研究了纳米复合永磁材料中不同磁性晶粒间的交换耦合相

互作用和有效各向异性.纳米复合永磁材料的有效各向异性Keff等于软、硬磁性相各向异性的统计平均值,每个晶
粒的各向异性由晶粒表面交换耦合部分和晶粒内部未交换耦合部分的各向异性共同确定.计算结果表明,软、硬磁

性相晶粒尺寸分布显著地影响有效各向异性Keff的值.当软、硬磁性晶粒尺寸D相同时,Keff随晶粒尺寸和硬磁性

相体积分数的降低而减小,当D<20nm时,Keff随D的减小而急剧下降;在某一确定的软磁性晶粒尺寸下,Keff随

硬磁性晶粒尺寸变化呈现极大值,Keff极大值对应硬磁性相的晶粒尺寸随着软磁性相体积分数的增加和软磁性晶

粒尺寸的减小而减小.Keff随晶粒尺寸的变化与矫顽力的变化规律大体一致,纳米复合永磁材料矫顽力的降低主要
是由有效各向异性的降低引起的.

关键词:纳米复合永磁材料,交换耦合相互作用,有效各向异性,晶粒尺寸
PACC:7510J,7540M,6146,7550

向异性模型出发,分别讨论了三种晶粒接触界面和
11引言晶粒尺寸对交换耦合相互作用和有效各向异性的影
响,结果表明有效各向异性的变化取决于软、硬两相

当两个相邻磁性晶粒直接接触时,界面处不同的体积分数和晶粒尺寸的大小.本文以Nd2Fe14BPα2
取向的磁矩产生交换耦合相互作用,使混乱取向的Fe纳米复合永磁材料为例,采用立方体晶粒结构模
磁矩趋于平行排列,产生剩磁增强效应.当晶粒尺型,考虑了晶粒间交换耦合长度随不同界面的变化,
寸减小到纳米量级时,材料的磁性能发生显著的改研究了软、硬磁性晶粒间的交换耦合相互作用以及
[1]
变.Herzer指出,由于晶粒间的交换耦合相互作用,晶粒尺寸和软硬磁性相比例的变化对纳米复合材料
Fe基纳米软磁材料的各向异性随晶粒尺寸急剧减有效各向异性的影响.
小而具有优异的软磁性能.Kneller指出[2],软、硬磁
性晶粒间的交换耦合相互作用可以使材料同时具有21软、硬磁性晶粒间交换耦合相互作
硬磁性相的高矫顽力和软磁性相的高饱和磁化强用和有效各向异性
度.Manaf等人[3]对纳米晶NdFeB永磁材料的实验
研究发现晶粒尺寸小于时随晶粒尺寸的减
,40nm,2111纳米复合永磁材料中不同晶粒间的交换耦合
小,剩磁明显增强,但矫顽力很快下降.由此可见,晶
长度Lex
粒尺寸的变化是影响材料磁性能的一个重要因素.
[1]
由软、硬两磁性相组成的纳米复合永磁材料存Herzer的随机各向异性(randomanisotropy)模
[4—6]
在三种不同的晶粒接触界面,即软2软、软2硬、型指出:当晶粒尺寸D小于其铁磁交换长度Lex时,

硬2硬磁性晶粒界面.文献[5,6]从Herzer的随机各其随机(有效)各向异性常数〈K〉和Lex的关系可表

3国家高技术研究发展计划(批准号:2002AA324050,2002AA302602)和国家自然科学基金(批准号:50371046)资助的课题.
­E2mail:[e-mail],电话:05312837703528329.
2713物理学报53卷

示为表2Nd2Fe14BPα2Fe纳米复合永磁材料中存在
3P21P2的几种交换耦合长度
〈K〉=K1(DPLex),Lex=(A〈PK〉),(1)

式中为体材料中通常的第一级磁晶各向异性常hhhsshss
K1材料成分Lex/nmLex/nmLex/nmLex/nm

数,A为交换积分.当D>Lex时〈,K〉=K11对于硬Nd2Fe14BPα2Fe4120516417142313

磁性Nd2Fe14B晶粒,按照(1)式计算,只有当晶粒减

小到大约1134nm以下才会出现材料各向异性和矫2121软、硬磁性晶粒有效各向异性
顽力的明显降低,其结论显然与实际情况不符[2].
[7]表显示硬磁性晶粒小于时
Fischer用永磁材料的畴壁厚度来表示其晶粒间的2:Nd2Fe14B412nm
才会处于完全交换耦合状态,Arcas[10]等人指出,当
交换耦合相互作用影响范围Lex,即
1P2