专利名称：磁交换耦合的核-壳纳米磁体的制作方法
磁交换耦合的核-壳纳米磁体相关申请的交叉引用本申请要求2010年11月15日申请的、题为“磁交换耦合的核-壳纳米磁体(Magnetic Exchange Coupled Core-Shell Nanomagnets) ” 的美国临时专利申请61/413，869的优先权，通过引用的方式将其合并于此。
背景技术：
当前，永久磁体广泛应用于各种应用领域，包括诸如电动车和风力发电机的电动机应用。不幸的是，很多永久性磁体的性能在高温时会降低，这使得它们不适合于某些应用中，例如，温度经常超过150摄氏度(°C)的电动机应用。此外，很多永久性磁体由昂贵的材料制成，例如，贵重金属或者稀土金属，这使永久性磁体具有有限的可用性。作为例子，一些包括Nd2Fe14B、镝掺杂的Nd2Fe14B、SmCo和Sm2Fe17N3的稀土磁体已经用于或者考虑用于混合电动机和电动车。这种磁体中的Nd2Fe14B通常可提供最高的最大磁能积(BH)max。然而，该磁体的工作温度限制在大约150°C，这归因于大约为310到400°C的低居里温度。此外，磁化强度随着温度降低，并且通常会在居里温度附近消失。为了提高工作温度，可在磁体中加入镝，但是，在磁体中加入镝会提高矫顽力，并降低磁化强度。因此，替代效果相对的不明显。因此，本领域需要一种至今尚未解决的能够在高温下有效的工作的廉价永磁体。
参考附图能够更好的理解本发明。附图中的元件并没有按照彼此之间的实际尺寸来绘制，而将重点放在了清楚地示出本发明的原理上。此外，在一些附图中，相同的参考标记表示相应的部件。图1示出了具有由软磁性壳包围的硬磁性核的纳米磁性颗粒的示例性实施方式。图2是具有由软磁性壳(坡莫合金)包围的硬磁性核(MnAl)的纳米磁体颗粒的最大磁能积(BH)max的图。图3是具有由软磁性壳包围的硬磁性核(τ -MnAl)的纳米磁体颗粒在300开尔文(K)处的、基于硬磁相的(BH)max的体积分数(fh)图，其中，Mr/Ms = 1，并且软壳的饱和磁化在1.3到2.2T的范围之间。图4是具有由软磁性壳包围的硬磁性核(τ -MnAl)的纳米磁体颗粒在300开尔文(K)处的、基于硬磁相的(BH)max的体积分数(fh)图，其中，Mr/Ms = 0.7，并且软壳的饱和磁化在1.3到2.2T的范围之间。图5是具有由软磁性壳包围的硬磁性核(τ -MnAl)的纳米磁体颗粒在450开尔文(K)处的、基于硬磁相的(BH)max的体积分数(fh)图，其中，Mr/Ms = 1，并且软壳的饱和磁化在1.3到2.2T的范围之间。图6是具有由软磁性壳包围的硬磁性核(τ -MnAl)的纳米磁体颗粒在450开尔文(K)处的、基于硬磁相的(BH)max的体积分数(fh)图，其中，Mr/Ms = 0.7，并且软壳的饱和磁化在1.3到2.2T的范围之间。图7是具有由软磁性壳包围的硬磁性核(MnBi)的纳米磁体颗粒在300开尔文(K)处的、基于硬磁相的(BH)max的体积分数(fh)图，其中，MyMs= 1，并且软壳的饱和磁化在1.3到2.2T的范围之间。图8是具有由软磁性壳·包围的硬磁性核(MnBi)的纳米磁体颗粒在450开尔文(K)处的、基于硬磁相的(BH)max的体积分数(fh)图，其中，MyMs= 1，并且软壳的饱和磁化在1.3到2.2T的范围之间。图9是具有由软磁性壳包围的硬磁性核(BaM)的纳米磁体颗粒在300开尔文(K)处的、基于硬磁相的(BH)max的体积分数(fh)图，其中，MyMs= 1，并且软壳的饱和磁化在1.3到2.2T的范围之间。图10是具有由软磁性壳包围的硬磁性核(BaM)的纳米磁体颗粒在450开尔文(K)处的、基于硬磁相的(BH)max的体积分数(fh)图，其中，MyMs= 1，并且软壳的饱和磁化在1.3到2.2T的范围之间。
具体实施例方式本发明总体上涉及磁交换耦合的核-壳纳米磁体。在一个示例性的实施方式中，永久性磁体被制造成具有由薄软磁性壳包围的硬磁性核。所述硬磁性核可提供相对高的矫顽力(Hcd)，并且所述软磁性壳可提供相对高的磁通密度(B)。由于核和壳之间的磁交换耦合，可在宽温度范围内(包括高于150°C的温度)实现相对高的最大磁能积(BH)max。此夕卜，无需使用稀土金属或者贵重金属即可实现该效果，这有助于使磁体的制造成本保持为较低。为了允许在核和壳之间进行充分的磁交换耦合，而控制整个壳的厚度，以使壳的宽度小于核的布洛赫(Bloch)畴壁厚度的两倍。图1示出了示例性的核-壳纳米磁性颗粒，所述核-壳纳米磁性颗粒12被制造成具有由硬磁性材料组成的核14和由软磁性材料组成的壳15。在一个不例性的实施方式中，核14的材料包括锰、铝、铋、锶、铅、铁或氧(至少有一个硬磁性元素，但更优选的是具有至少两个硬磁元素)，壳的材料包括铁，钴，镍，铝，硅，氮或氧(至少有一个软磁性元素，但更优选的是具有至少两个软磁性元素)。作为例子，硬磁性核14可由铝化锰(MnAl)、M型六角铁氧体(BaFe12O19)或猛秘(MnBi)组成,软磁性壳15可以由Fe65Co35,坡莫合金(Fe2tlNi8tl)或铁硅铝磁合金(FeAlSi)组成。然而，在其它实施方式中，其它元素和/或元素的组合也是可能的。如同核14 一样，核-壳颗粒12的形状通常是球形，然而，在其他实施方式中，它还可以具有其他形状，例如，针状或者六角形。此外，壳15形成了环绕并包围核14的中空的球体,并且核14填充在所述中空球体的空间内。在一个实施方式中，其他形状(例如，圆柱形、立方体形、或者六角形)的壳15也是可能的。在一个示例性的实施方式中，壳15的厚度(δ s)大约为20nm到40nm之间，该厚度小于核14的布洛赫(Bloch)畴壁厚度的两倍。此夕卜，围绕着核14的壳15的厚度是均匀的。然而，应该强调的是，在其他实施方式中，核-壳颗粒12的其他形状和配置也是可能的。核-壳颗粒12的(BH) _可由以下公式表示(假设Mr = Ms):(I)Mr = fhMh+fsMs,当 Ms = Mr 时，一等式(6)，R.Skomski
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(2)
权利要求
1.一种核-壳纳米磁体颗粒(12),包括: 硬磁性材料的核(14)和 用于包围所述核的软磁性材料的壳(15), 其中，所述壳的厚度小于40纳米，并且小于所述核的布洛赫畴壁厚度的两倍。
2.根据权利要求1所述的核-壳纳米磁体颗粒，其中，围绕着所述核的所述壳的厚度是均匀的。
3.根据权利要求1所述的核-壳纳米磁体颗粒，其中，所述核不包括稀土元素。
全文摘要
永久性磁体(12)被制造成具有由薄软磁性壳(15)包围的硬磁性核(14)。所述硬磁性核可提供相对高的矫顽力(Hci)，并且所述软磁性壳可提供相对高的磁通密度(B)。由于所述核和壳之间的磁交换耦合，可在宽温度范围内，包括高于150℃的温度，实现相对高的最大磁能积(BH)max。此外，无需使用稀土金属或者贵重金属即可实现该效果，这有助于使磁体的制造成本保持为较低。为了允许在所述核和壳之间进行充分的磁交换耦合，所述壳的宽度小于约40纳米，并且控制整体尺寸，以使所述壳的宽度小于所述核的布洛赫畴壁厚度的两倍。
文档编号G11B5/00GK103221998SQ201180054617
公开日2013年7月24日 申请日期2011年11月15日 优先权日2010年11月15日
发明者Y-K·洪, S·白 申请人:代表阿拉巴马大学的阿拉巴马大学理事会