使用高压氮化的方法制备铁氮磁性材料的方法技术

本发明专利技术公开了使用高压氮化的方法制备铁氮磁性材料的方法，应用在磁性材料领域，其技术方案要点是：准备铁颗粒，清除表面污染，保持表面清洁；将铁颗粒放入高压反应釜中，然后封闭后充气增压，通入氨气和氢气的混合物的气氛介质，气氛压力保持在20～100MPa，氨气与氢气之间的流量比为1:10～10:1；高压反应釜置入常温状态，保持时间为5～60min；具有的技术效果是：本发明专利技术产品中所含的Fe16N2相的含量增加，更利于铁氮相材料的制备。

【技术实现步骤摘要】
使用高压氮化的方法制备铁氮磁性材料的方法
本专利技术涉及磁性材料
，特别涉及使用高压氮化的方法制备铁氮磁性材料的方法。
技术介绍
铁氮体系材料种类繁多，各个相之间关系错综复杂，所以对铁氮材料开展研究，近年鲜有整个铁氮系材料全面研究工作的报道，一般而言，相关研究组从实际需求出发，仅针对某种感兴趣的铁氮材料开展研究。例如，对于磁记录领域的应用，研究人员感兴趣的是具有超高饱和磁场强度的α’’-Fe16N2以及γ’-Fe4N相；软磁变压器领域的应用，则对表面电阻率高且具有高饱和磁场强度的γ’-Fe4N相感兴趣；永磁方面的研究，对磁晶各向异性能量较高的α’’-Fe16N2相感兴趣；表面涂覆方面，则针对对高氮含量的FeN或Fe2N开展研究工作。关于γ’-Fe4N的研究，国内外很快就达成了共识，该材料性能稳定，表面电阻较高，晶体结构对称，磁晶各向异性能量低，在整体性能上与铁氧体类似，属于中低端软磁材料，可用来制作变压器磁芯、电感、扼流圈等磁性元件，但对应的截止频率较低、损耗较高，无法与高端的软磁材料相提并论。关于α’’-Fe16N2的研究，则出现了一定的波折，α’’-Fe16N2是否具有高达3.0T的饱和磁化强度曾存在很大的争议。上个世纪九十年初，国际材料学界对此有过激烈的争论但当时未有定论，沉寂多年之后，由于α’’-Fe16N2在科学和技术上的重要价值，这一问题近期又成为材料研究的热点。α’’-Fe16N2相是Jack于1951年首先报道的，是一种有序的亚稳相。有序是指N原子在Fe晶格中排列有序，三个晶轴方向间隔排列，对边方向交错排列。亚稳是因为这种结构在200oC以上的温度下热处理时会分解为α-Fe和γ’-Fe4N。1972年，Kim等人在研究Fe薄膜的磁性和真空度的关系时（使用N2来改变真空室的真空度），发现Fe-N具有比Fe更高的饱和磁化强度，并根据相图认为有α’’-Fe16N2相形成，饱和磁化强度高达2.83T。1989年，Komuro等人用分子束外延的方法在GaAs基板上制备了单晶的α’’-Fe16N2薄膜，其饱和磁化强度在2.8-3.0T之间。这一结果在实验和理论两方面都得到了其他独立的研究组的证实。无论从科学还是从技术角度考虑，α’’-Fe16N2的高饱和磁化强度均具有重要的意义。理论上的意义在于，Fe16N2的高饱和磁化强度，表明现有的凝聚态理论对Fe、N原子的交换作用的估计是不足的，需要很大的改进。从应用角度考虑，在磁记录中，磁头所能产生的最大磁场决定于材料的饱和磁化强度，而磁头的磁化场直接与磁记录密度相关。目前现有磁头工艺能够提供约1.9T的磁化场，如果采用高饱和磁化强度的Fe16N2做为磁头材料，则能将磁头场提高近50%，能够在现有工艺水平下将记录密度进一步提升。在永磁材料领域，材料的最大磁能积正比于其饱和磁化强度的平方，采用α’’-Fe16N2能够将磁能积极限提高40%，或者将材料体积降低30%。虽然铁氮磁性材料具有很好的性能和应用前景，但是迄今为止，该类材料没有成功进入产业化。主要原因在于氮化问题。我们知道，氮气是非常稳定的气体，本身偏于稳定，化学反应活性不够强。用氮气是不能直接和铁进行反应的，一般用氨气作为反应气体，氨气和铁会发生反应形成铁氮化合物。但是这种反应仅仅发生在金属表面。可以看出，氨气和铁在铁金属表面形成铁氮化合物，这个铁氮化合物会形成阻挡层，阻挡氮原子继续和内部的铁发生反应。所以，这种氨气氮化技术多用于材料表面氮化改性的作用。使用氨气对铁进行氮化的时候，用下列公式来描述氮化的能力：，这里Kn定义为氮化势能，其中pNH3表示反应炉中氨气的压力，而pH2表示反应炉中氢气的压力。因为这种氨气的氮化仅仅能发生在铁金属的表面，所以目前在制备铁氮磁性材料的时候，通常原材料采用纳米级铁颗粒，一般的制备流程是：（1）将纳米级铁颗粒放入反应炉中，在100至350摄氏度范围内通氢气，对纳米铁颗粒表面进行还原反应，因为在准备原材料的时候，纳米铁颗粒表面不可避免要有氧化，所以要通过氢气反应，将表面的氧化铁还原成纯铁。（2）在氢气还原反应完成之后，在反应炉中通氨气和氢气的混合物，具体的分压由氮化势能Kn来确定，反应温度一般为100至500摄氏度，反应时间一般为几小时至几十个小时。（3）氮化反应后，进行适当温度的退火。以上为目前制备铁氮磁性材料的步骤，可以看出，存在以下缺点：（1）气体氮化的方式，仅能氮化金属表面，不能深入氮化；（2）氮化效率极低，需要氮化的时间较长；（3）对原材料要求较高，要求原材料为纳米级铁颗粒，这种原材料的价格非常贵。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供使用高压氮化的方法制备铁氮磁性材料的方法，本专利技术提供的方法优点在于降低了材料的制备成本。本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：使用高压氮化的方法制备铁氮磁性材料的方法，1）准备铁颗粒，清除表面污染，保持表面清洁；2)将铁颗粒放入高压反应釜中，然后封闭后充气增压，通入氨气和氢气的混合物的气氛介质，气氛压力保持在20～100MPa，氨气与氢气之间的流量比为1:10～10:1；3）高压反应釜置入常温状态，保持时间为5～60min；4）启动高压反应釜加热，合成温度控制在100～500℃，保温时间控制在0.1～100h；5）加热反应结束后，停机冷却至常温，然后将压力降至常压；6）向高压反应釜内充入氮气，将高压反应釜打开出炉，合成产物即为铁氮磁性材料，Fe16N2相含量在20％～80%。本专利技术进一步设置为：铁颗粒的尺寸为9～10um。本专利技术进一步设置为：氨气和氢气的混合物、铁颗粒之间的体积比》10:1。本专利技术进一步设置为：铁颗粒包括铁粉，铁粉的颗粒直径为0.01～1000um，纯度》90%。本专利技术进一步设置为：铁氮磁性材料为Fe2N、Fe3N、Fe4N、Fe8N或Fe16N2中的任意一种或几种。本专利技术进一步设置为：所制备的铁氮磁性材料可用于变压器和传感器。本专利技术进一步设置为：所制备的铁氮磁性材料可用于功率电子器件。一种铁氮磁性材料，通过上述方法制备得到。综上所述，本专利技术具有以下有益效果：1、首次采用高压反应釜工艺，通过高压制备的方法达到提高制备材料的磁性的目的；2、本专利技术中随着高压反应釜的压力升高，铁氮材料含量随之增加，当高压反应釜内的气压达到100MPa时，材料对应的磁感应强度明显增加；3、本专利技术产品中所含的Fe16N2相的含量增加，更利于铁氮相材料的制备；4、本专利技术工艺简单、材料生产率高、成本低廉、易于产业化。附图说明图1是本实施例在不同高压下制备的样品的磁性特性曲线分布图；图2是XRD结果的对比示意图；图3是本专利技术不同压力情况下所制备Fe16N2相的含量曲线图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步详细说明。实施例：请参阅图1、图2和图3，图1是本实施例在不同高压下制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.使用高压氮化的方法制备铁氮磁性材料的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：/n1）准备铁颗粒，清除表面污染，保持表面清洁；/n2)将铁颗粒放入高压反应釜中，然后封闭后充气增压，通入氨气和氢气的混合物的气氛介质，气氛压力保持在20～100MPa，氨气与氢气之间的流量比为1:10～10:1；/n3）高压反应釜置入常温状态，保持时间为5～60min；/n4）启动高压反应釜加热，合成温度控制在100～500℃，保温时间控制在0.1～100h；/n5）加热反应结束后，停机冷却至常温，然后将压力降至常压；/n6）向高压反应釜内充入氮气，将高压反应釜打开出炉，合成产物即为铁氮磁性材料，Fe16N2相含量在20％～80%。/n

【技术特征摘要】
1.使用高压氮化的方法制备铁氮磁性材料的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1）准备铁颗粒，清除表面污染，保持表面清洁；
2)将铁颗粒放入高压反应釜中，然后封闭后充气增压，通入氨气和氢气的混合物的气氛介质，气氛压力保持在20～100MPa，氨气与氢气之间的流量比为1:10～10:1；
3）高压反应釜置入常温状态，保持时间为5～60min；
4）启动高压反应釜加热，合成温度控制在100～500℃，保温时间控制在0.1～100h；
5）加热反应结束后，停机冷却至常温，然后将压力降至常压；
6）向高压反应釜内充入氮气，将高压反应釜打开出炉，合成产物即为铁氮磁性材料，Fe16N2相含量在20％～80%。


2.根据权利要求1所述的使用高压氮化的方法制备铁氮磁性材料的方法，其特征在于：铁颗粒的尺寸为9～10um。

【专利技术属性】
技术研发人员：姜岩峰，杜昊临，
申请(专利权)人：常州古金磁性材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32