一种稀土金属间化合物纳米软磁颗粒及其制备方法与应用与流程

1.本发明属于稀土基纳米材料技术领域，具体涉及一种稀土金属间化合物纳米软磁颗粒、制备方法及应用。


背景技术：

2.随着电子信息技术和高频通讯技术的迅速发展，以电磁波为载体的信息传递导致的电磁污染问题日益严重。伴随5g时代的到来，相关电子器件的应用频率已由mhz扩展至了ghz，特别是sub-6 ghz(5g)技术通讯频率集中在3.4～5.0ghz，因此，为了解决高频电磁污染问题，研发在高频波段(》4ghz)具有高磁导率的电磁波吸收材料至关重要。
3.电磁波吸收材料广泛应用于能源、信息、交通、医疗和国防等领域，是国民经济的关键基础材料。目前，以铁氧体材料和feco、fesial等二元系、三元系合金材料的电磁波吸收材料因其自然共振频率低，且在ghz频段磁导率较低的特点限制其高频化发展(acs appiled nano materials 2019,2,3570-3576；journal of alloys and compounds 819(2020)153028)。根据snoek极限(μ
i-1)fr＝(2γ/3)4πms可知，材料的自然共振频率和磁导率受到内禀磁性的限制，由于饱和磁化强度不能无限制提高，导致高频磁损耗性能存在瓶颈，难以满足高频化发展的需求(nature 160(1947)90)。然而，对于易面型软磁材料来说，其改进型snoek极限可表示为：(其中μi为本征磁导率，h
θ
为面外各向异性场，为面内各向异性场)，由于面内各向异性场一般小于面外各向异性场，因此具有易面各向异性材料可以突破snoek极限，保证其在高频波段具有较高磁导率，使其具有优异的高频电磁损耗特性(physica 14(1948)；journal of applied physics 97,013905(005)；journal of applied physics 69,5584(1991))。
4.journal of alloys and compounds 586(2014)239
–
243和中国专利cn101699579a和cn101707108b报道的镨铁氮、钕铁氮、thmn
12
型软磁材料和一些r2m
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型稀土金属间化合物具有优异的易面各向异性，高饱和磁化强度以及高面外磁晶各向异性场与面内各向异性场比值等优点，这些材料均有望提高其自然共振频率，然而其颗粒大小为微米尺度，其尺寸远大于其趋肤深度，在ghz频段涡流损耗严重，进而影响稀土金属间化合物的高频软磁性能。因此，亟需开发一种尺寸更小的纳米级稀土金属间化合物以降低涡流损耗，提升高频电磁损耗性能。


技术实现要素：

5.为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种纳米尺度的稀土金属间化合物及其制备方法。该稀土金属间化合物纳米软磁颗粒的特点是具有很强的易面各向异性，从而获得更大的磁晶各向异性，因此该材料拥有高的自然共振频率(＞4ghz)和磁导率，同时具有低的涡流损耗，其高频电磁波吸收性能大大超过传统吸波材料。
6.为了实现上述要求，本发明采取的技术方案为：
7.一种稀土金属间化合物纳米软磁颗粒，该材料为20at％～50at％的稀土元素与50at％～80at％的过渡族元素按不同比例组成；其原子表达式为r2m
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，其中r表示稀土元素，为y、ce、pr、nd、sm、eu、ho、gd、dy元素中的一种或多种；m表示过渡族金属元素，为fe、co、ni、al、cu元素中的一种或多种。该稀土金属间化合物纳米软磁颗粒的粒径为20-200nm。
8.一种稀土金属间化合物纳米软磁颗粒的制备方法，按照以下步骤进行：
9.(1)将稀土金属颗粒与过渡族金属颗粒按上述原子配比均匀混合后，称取3-30g；所述稀土金属颗粒与过渡族金属颗粒的直径均为1-10mm。
10.(2)将金属颗粒混合物置于高真空电弧炉内作为阳极，钨电极作为阴极；抽真空至1.0
×
10-2
pa以下，再充入保护气体，使反应腔内气压保持在0.01-1.0
×
105pa；
11.(3)接通电源，控制电压保持在25-35v，电流保持在150-250a，调节钨电极与金属颗粒混合物的距离以形成稳定电弧，将其熔炼成铸锭；
12.(4)将步骤(3)中熔炼的铸锭放置于高真空电弧制粉设备内作为阳极，钨电极作为阴极；抽真空至1.0
×
10-2
pa以下，随后充入保护气体和氢气，保护气体与氢气的体积比为1:(1～4)，最终反应腔内气压保持在1.0
×
10
3-1.0
×
105pa；
13.(5)接通电源，控制电压保持在25-35v，电流在150-250a，调节钨电极与铸锭的距离形成稳定电弧，对步骤(3)中的铸锭进行蒸发制备，同时在-70℃～15℃条件下冷却；得到稀土金属间化合物纳米软磁颗粒。
14.进一步的，所述保护气体为氩气、氦气和氖气中的一种或多种混合气体。
15.所述的稀土金属间化合物纳米软磁颗粒应用于高频(ghz)电磁波吸收。
16.优选的，所述电磁波吸收应用是由稀土金属间化合物纳米软磁颗粒与石蜡质量比1：1混合制得同轴环样品进行测试的。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
18.1)本发明制备的纳米软磁颗粒具有很强的表面各向异性，从而获得更高的磁晶各向异性，有利于提高自然共振频率和磁导率，实现高频电磁波吸收。
19.2)本发明材料的粒径为纳米尺度，能够有效降低趋肤效应，减小涡流损耗，提高材料利用率，改善电磁波吸收性能。
20.3)本发明制备工艺简便，制备周期短，满足工业化生产需求。
附图说明
21.图1为实施例1中材料的x射线衍射图谱；
22.图2为实施例1中材料的透射电镜图像；
23.图3为实施例1中材料的复数磁导率与频率关系图；
24.图4为实施例1中材料的复数介电常数与频率关系图；
25.图5为实施例1中材料的电磁波吸收性能图；
26.图6为实施例2中材料的x射线衍射图谱；
27.图7为实施例2中材料的透射电镜图像；
28.图8为实施例2中材料的复数磁导率与频率关系图；
29.图9为实施例2中材料的复数介电常数与频率关系图；
30.图10为实施例2中材料的电磁波吸收性能图。
具体实施方式
31.以下结合附图和具体实例对本发明的技术方案、工艺步骤及特点做详细说明。需注意，本实施例仅用于解释本发明，而不受实施例中参数及范围的限定。
32.实施例1
33.称取3.00g稀土金属钇(粒径为5-10mm)和2.00g过渡族金属钴(粒径为5-10mm)混合放置于高真空电弧炉制粉设备内作阳极，钨电极作阴极；抽真空至1.0
×
10-2
pa以下，再充入氩气作为保护气体，使反应腔内气压达到1.0
×
105pa；接通电源，电压为25v，电流为250a，电弧熔炼3次，每次熔炼5min，得到合金铸锭。
34.将合金铸锭放置于高真空电弧炉制粉设备内作阳极，钨电极作阴极；抽真空至1.0
×
10-2
pa以下，随后充入氩气作为保护气体，氢气作为反应气体，氩气与氢气的比例为1:1，使反应腔内气压达到1.0
×
103pa；接通电源，电压为25v，电流为250a，电弧放电蒸发合金铸锭，同时通入循环水在7℃条件下对产物进行冷却，得到稀土金属间化合物纳米软磁颗粒。
35.得到的稀土金属间化合物纳米软磁颗粒的xrd图如图1所示，由图1中衍射峰可以证明材料为y2co
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。其微观形貌如图2所示，可以看出颗粒呈均匀球状，粒径约为100nm。复数磁导率与频率关系如图3所示，可以看出共振频率为4.3ghz。复数介电常数与频率关系如图4所示。电磁波吸收性能如图5所示，在高频(ghz)波段具有较强的吸收(-26.5db)和较宽的吸收频带(14.6ghz)。
36.实施例2
37.称取6.45g钇(粒径为1-10mm)和7.5g钴(粒径为2-7mm)混合放置于高真空电弧炉制粉设备内作阳极，钨电极作阴极；抽真空至1.0
×
10-2
pa以下，再充入氩气作为保护气体，使反应腔内气压达到1.0
×
104pa；接通电源，电压为25v，电流为200a，电弧熔炼5次，每次熔炼5min，得到合金铸锭。
38.用酒精棉将高真空电弧炉制粉设备腔室擦拭干净，将合金铸锭放置于高真空电弧炉制粉设备内作阳极，钨电极作阴极；抽真空至1.0
×
10-2
pa以下，随后充入氦气作为保护气体，氢气作为反应气体，氦气与氢气的比例为1:2，使反应腔内气压达到1.0
×
104pa；接通电源，电压为25v，电流为200a，电弧放电蒸发合金铸锭，同时通入循环水在5℃条件下对产物进行冷却，得到稀土金属间化合物纳米软磁颗粒
39.得到的稀土金属间化合物纳米软磁颗粒的xrd图如图6所示，由图中衍射峰可以证明材料为y2co
17
。其微观形貌如图7所示，可以看出颗粒呈均匀球状，粒径约为80nm。复数磁导率与频率关系如图8所示，可以看出共振频率为4.3ghz。复数介电常数与频率关系如图9所示。电磁波吸收性能如图10所示，在高频(ghz)波段具有较强的吸收(-35.7db)和较宽的吸收频带(9.4ghz)。
40.实施例3
41.称取2.15g钇(粒径为5-10mm)、1.5g钴(粒径为5-10mm)和2.85g铁(粒径为5-10mm)混合放置于高真空电弧炉制粉设备内作阳极，钨电极作阴极；抽真空至1.0
×
10-2
pa以下，再充入氩气作为保护气体，使反应腔内气压达到1.0
×
105pa；接通电源，电压为30v，电流为250a，电弧熔炼6次，每次熔炼6min，得到合金铸锭。
42.用酒精棉将高真空电弧炉制粉设备腔室擦拭干净，将合金铸锭放置于高真空电弧炉制粉设备内作阳极，钨电极作阴极；抽真空至1.0
×
10-2
pa以下，随后充入氩气作为保护气
体，氢气作为反应气体，氩气与氢气的比例为1:4，使反应腔内气压达到1.0
×
105pa；接通电源，电压为30v，电流为250a，采用直流电弧等离子体蒸发法对合金铸锭进行蒸发制备，电弧放电蒸发合金铸锭，同时通入液氮在-67℃条件下对产物进行冷却，得到y2(feco)
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稀土金属间化合物纳米软磁颗粒。