具有高磁能密度的宏观纳米结构永磁铁的生产工艺以及相应磁铁制造技术

一种用于生产永磁铁的工艺，该工艺可以生产多层材料形式的纳米结构合金（含有体积分数小于１０％的稀土基化学当量化合物），包括含有定位于插入了软铁磁层的一系列堆叠层中的稀土的化学当量硬相。根据本发明专利技术，包括沿各自的垂直轴通过喷墨印刷系统并通过生产单元矩阵达到生产阶段的并行化来生产纳米结构元素。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及永磁铁的生产系统和生产工艺领域，具体涉及具有高磁能密度用于高 效率电动机或发电机的纳米结构的宏观膜或者薄膜。
技术介绍
在全球范围内，永磁铁的研究受到了人们的普遍关注，对小型电子器件、电流发生 器和直流电机的生产需求使该研究更为人关注。可以用高矫顽性、高剩磁性来概括这些材料需要的磁性，高矫顽性和高剩磁性都 意味着与磁能密度成正比的大的磁滞回线区域，磁能密度又定义为磁感应强度与磁场强度 之积(B X H)，通常是用MGOe或者用J/m3 (IMGOe 7742J/m3)度量的。具有高B X H积的 永磁铁(其工作点(根据形状和边界条件)在矫顽性和剩磁性之间的中间位置)是非常强 磁场的来源，并且很难受到任何外来磁场的影响；因此其能够感应很强的电动势，并且是电 机应用和发电机的最佳选择。通常，最适合材料包含稀土金属和过渡金属的合金(Sm2Co17, SmCo5, Nd2Fe14B, Sm2(CoFe)17, Sm2Fe17N3等)，其中第一元素的晶体结构引起高的磁性_晶体 各向异性(硬相(hard phase))，而过渡金属对系统的整体磁矩(软相(soft phase))有贡 献。为了获得高性能价廉的永磁铁，要略微降低稀土的含量，优选用铁-钕合金来代 替钴-钐合金，另外的优点是有更好的可加工性。根据磁物理学的最新发展成果，一直把一种特定机制，即双极耦合机制认为是生 产具有很高能积B χ H(> lMGOe)、降低的稀土金属浓度的材料的可行起点。已经有人描 述了这些概念，例如在 J.Appl.Phys，99，08B516Q006)的 Lee，Bauser, Higgins, Chen 和 Liu StJ "Bulk anisotropic composite rare earth magnets，，中己有描述。最新数值" 方真 显示，原则上可以用含有低于10%化学当量的稀土基化合物的纳米结构合金来达到相同性 能，例如可参见 Phys. Rev. B，48，21 (1993)的 Skomsky 禾口 Coey 的"Giant energy product in nanostructured two-phase magnet”。根据这些研究，薄层状纳米结构材料代表了满足 获得良好性能需求的最佳结构，其中含有稀土金属的化学当量硬相由一组厚度一般约为10 纳米的堆叠层组成，层间用厚度约100纳米的其它软铁磁性材料层隔开。但是，到目前为止 还没有一种可用工艺技术能在工业规模上成功制造由纳米结构多层合成物组成的宏观制品。可以把由由两相材料组成的永磁铁的主要生产方法分类为粉末冶金工艺，其中两 相材料包括基于稀土的硬铁磁相和基于狗，Co，Ni的软铁磁相。在这种情况下，执行单轴冷 压，然后要么进行烧结，要么进行单轴热压或者热等静压。结果，以此方式获得的双相合金 的微晶结构还不足以达到文献中估计的理论性能。此主要缺点是由于对通过这些技术获得 的晶体的纳米结构的松散控制，以及由包括稀土基合金通常呈现的形状(其为球形或者圆 柱形的，即绝对不象真正的薄片)造成的。
技术实现思路
本专利技术的目的是获得一种用于制造具有高磁能密度特征且允许获得极好地执行 的并且便宜的(由于稀土的含量低)磁性材料的纳米结构多层永磁铁(既是薄膜又是宏观 的片状物)的工艺。为了达到该目的，本专利技术与生产该类型的永磁铁的工艺有关，其意指沉积合金作 为多层纳米结构材料，该沉积操作意指沉积第一组硬铁磁材料的堆叠层，将第二组软铁磁 性材料层插入所述第一组堆叠层。该沉积操作包括提供所述硬和/或软铁磁材料作为磁 性纳米微粒溶液；将所述磁性纳米微粒溶液供应到用于喷射液态微射流的装置；喷射所述 溶液以沉积所述第一组层和/或所述第二组层。本专利技术还与用于生产宏观永磁铁的系统以 及相应的永磁铁有关。根据本专利技术的优选特征，所述用于喷射液态微射流的装置包括喷墨 印刷头。根据另一优选特征，包括用于喷射液态微射流的使用装置包括至少两个喷嘴，给 其中的一个喷嘴供应含有硬磁性材料纳米微粒的溶液，给另一个喷嘴供应包含软磁性材料 纳米微粒的溶液。通过上述特征，根据本专利技术的工艺体现在对多层纳米结构层次上双相材料的完全 控制，允许稀土基的硬合金的体积分数被限制到理论期望值。此外，在需要时，采用微射流 喷射允许所生产磁铁的表面区域被至少十分之一毫米的沉积细节所覆盖。附图说明参照附图，由下文描述可以得出本专利技术的另外特征和优点，附图仅作为非限制性 实例给出，图中图1示意性示出根据本专利技术的第一工艺步骤；图2示意性示出根据本专利技术的第二工艺步骤；图3示意性示出根据本专利技术的第三工艺步骤；图4示意性示出根据本专利技术的第四工艺步骤；图5示意性示出根据本专利技术的第五工艺步骤；图6示意性示出根据本专利技术的第六工艺步骤。具体实施例方式总的讲，根据本专利技术的生产工艺包括凭借生产单元沿垂直轴生产薄膜或者宏观主 体的阶段，该生产单元包括用于喷射液态微射流的装置，如喷墨印刷系统。根据本专利技术的另 一特征，凭借这些生产单元的矩阵，将该生产阶段设计成并行启动。与若干家用印刷机采用的技术相同且非常通用的喷墨印刷技术正缓慢扩展到许 多生产领域，举例讲，如电子和纳米
，从而达到瓷砖(ceramic tile)的数字印刷。设计师正越来越多地使用易于在三个维度上产生塑料模的印刷机，这样短时间允 许获得以前需要工作多天才能获得的效果，零售用户短期可以获得相同类型的设备，能够 通过快速原型化产生无论什么类型的大块主体。新型油墨可获得并已上市，这种油墨由能 够承载电流的聚合物、绝缘和半导电的聚合物、适于用作光电子中的波导或者用作光学透 镜的聚合物、含有用来制造微米尺寸天线的金属纳米微粒的溶液等组成。根据本专利技术，设计了通过以下方式使用这类技术连同用于永磁铁的磁性材料，这 些方式是通过使用含有可能被功能化的溶质磁性纳米微粒的油墨，将其供应到印刷头，所 述印刷头优选配置两个喷嘴，其能够独立喷射用于硬相的油墨或者溶液和用于软相的油墨 或者溶液。印刷头将溶液喷射在衬底上或者生长表面上。在溶解纳米微粒的油墨的溶剂蒸 发之后，纳米微粒聚合形成磁性材料的连续表面。如果用适当配体使纳米微粒表面功能化， 具有不同性质的纳米微粒之间的特定键合变成可能，例如，用第一配体(a型)敷涂Ndfe14B 纳米微粒，并且用第二配体(b型)敷涂狗纳米微粒，这在下文将参照图2和图3进行阐述。 配体(a，b)可以如下方式选择它们能够引起不考虑同种键(既不a与a，又不b与b)而 仅考虑异种键合的特定的化学反应；当从微射流头喷嘴喷射或者喷出任一相(例如硬)的 纳米微粒到其它相(例如软)的纳米微粒上时，它们靠由a_b化学键合的性质确定的能量 结合在一起。通过抗原和抗体之间出现的(共价)键合可以提供可能的例子，其活动是非 常特殊的，并且可以作为凭借水溶液形式或者作为粉末存在的商用产品进行纳米微粒功能 化的结果来获得。为了确定结合能以便能够用大于压缩粉末(所谓的“粗的”或“绿的(green) ”)的 粘合力的粘合力甚至在宏观的程度上支撑纳米结构，设计来选择配体。现在参照图1-图5来描述根据本专利技术工艺的示例性实施例。在图1中，显示了通过第一配体对衬底11功能化的第一步骤，第一配体在图中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁铁生产工艺，包括：沉积多层纳米结构材料（１５）形式的磁性材料的纳米结构合金的操作，所述沉积操作包括：沉积第一系列的硬铁磁相堆叠层；将第二系列的软铁磁相层插入所述系列的堆叠层；其特征在于：所述沉积第一系列的堆叠的硬铁磁相层、将第二系列的软铁磁相层插入所述系列的堆叠层的操作包括：　　提供硬铁磁纳米微粒溶液（１２）和／或软铁磁纳米微粒溶液（１４）；　　将所述磁性纳米微粒溶液供应到用于喷射液态微射流（２４）的装置（３０）；　　喷射硬铁磁纳米微粒溶液（１２）和／或软铁磁纳米微粒溶液（１４）的所述纳米微粒溶液。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·基奥莱里奥，
申请(专利权)人：都灵理工学院，
类型：发明
国别省市：IT