[發明專利]使用高壓氮化的方法制備鐵氮磁性材料的方法

在審

• 申請號: 202010886339.1
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN112038082A
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 姜巖峰;杜昊臨
• 申請（專利權）人: 常州古金磁性材料科技有限公司
• 主分類號: H01F41/02
• 分類號: H01F41/02;H01F1/04;H01F1/14;C22C33/02
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本發明公開了使用高壓氮化的方法制備鐵氮磁性材料的方法，應用在磁性材料領域，其技術方案要點是：準備鐵顆粒，清除表面污染，保持表面清潔；將鐵顆粒放入高壓反應釜中，然后封閉后充氣增壓，通入氨氣和氫氣的混合物的氣氛介質，氣氛壓力保持在20～100MPa，氨氣與氫氣之間的流量比為1:10～10:1；高壓反應釜置入常溫狀態，保持時間為5～60min；具有的技術效果是：本發明產品中所含的Fe16N2相的含量增加，更利于鐵氮相材料的制備。

技術領域

本發明涉及磁性材料技術領域，特別涉及使用高壓氮化的方法制備鐵氮磁性材料的方法。

背景技術

鐵氮體系材料種類繁多，各個相之間關系錯綜復雜，所以對鐵氮材料開展研究，近年鮮有整個鐵氮系材料全面研究工作的報道，一般而言，相關研究組從實際需求出發，僅針對某種感興趣的鐵氮材料開展研究。例如，對于磁記錄領域的應用，研究人員感興趣的是具有超高飽和磁場強度的α’’-Fe16N2以及γ’-Fe4N相；軟磁變壓器領域的應用，則對表面電阻率高且具有高飽和磁場強度的γ’-Fe4N相感興趣；永磁方面的研究，對磁晶各向異性能量較高的α’’-Fe16N2相感興趣；表面涂覆方面，則針對對高氮含量的FeN或Fe2N開展研究工作。

關于γ’-Fe4N的研究，國內外很快就達成了共識，該材料性能穩定，表面電阻較高，晶體結構對稱，磁晶各向異性能量低，在整體性能上與鐵氧體類似，屬于中低端軟磁材料，可用來制作變壓器磁芯、電感、扼流圈等磁性元件，但對應的截止頻率較低、損耗較高，無法與高端的軟磁材料相提并論。

關于α’’-Fe16N2的研究，則出現了一定的波折，α’’-Fe16N2是否具有高達3.0T的飽和磁化強度曾存在很大的爭議。上個世紀九十年初，國際材料學界對此有過激烈的爭論但當時未有定論，沉寂多年之后，由于α’’-Fe16N2在科學和技術上的重要價值，這一問題近期又成為材料研究的熱點。

α’’-Fe16N2相是Jack于1951年首先報道的，是一種有序的亞穩相。有序是指N原子在Fe晶格中排列有序，三個晶軸方向間隔排列，對邊方向交錯排列。亞穩是因為這種結構在200oC以上的溫度下熱處理時會分解為α-Fe和γ’-Fe4N。1972年，Kim等人在研究Fe薄膜的磁性和真空度的關系時（使用N2來改變真空室的真空度），發現Fe-N具有比Fe更高的飽和磁化強度，并根據相圖認為有α’’-Fe16N2相形成，飽和磁化強度高達2.83T。1989年，Komuro等人用分子束外延的方法在GaAs基板上制備了單晶的α’’-Fe16N2薄膜，其飽和磁化強度在2.8-3.0T之間。這一結果在實驗和理論兩方面都得到了其他獨立的研究組的證實。

無論從科學還是從技術角度考慮，α’’-Fe16N2的高飽和磁化強度均具有重要的意義。理論上的意義在于，Fe16N2的高飽和磁化強度，表明現有的凝聚態理論對Fe、N原子的交換作用的估計是不足的，需要很大的改進。從應用角度考慮，在磁記錄中，磁頭所能產生的最大磁場決定于材料的飽和磁化強度，而磁頭的磁化場直接與磁記錄密度相關。目前現有磁頭工藝能夠提供約1.9T的磁化場，如果采用高飽和磁化強度的Fe16N2做為磁頭材料，則能將磁頭場提高近50%，能夠在現有工藝水平下將記錄密度進一步提升。在永磁材料領域，材料的最大磁能積正比于其飽和磁化強度的平方，采用α’’-Fe16N2能夠將磁能積極限提高40%，或者將材料體積降低30%。

雖然鐵氮磁性材料具有很好的性能和應用前景，但是迄今為止，該類材料沒有成功進入產業化。主要原因在于氮化問題。

我們知道，氮氣是非常穩定的氣體，本身偏于穩定，化學反應活性不夠強。用氮氣是不能直接和鐵進行反應的，一般用氨氣作為反應氣體，氨氣和鐵會發生反應形成鐵氮化合物。但是這種反應僅僅發生在金屬表面。可以看出，氨氣和鐵在鐵金屬表面形成鐵氮化合物，這個鐵氮化合物會形成阻擋層，阻擋氮原子繼續和內部的鐵發生反應。所以，這種氨氣氮化技術多用于材料表面氮化改性的作用。

使用氨氣對鐵進行氮化的時候，用下列公式來描述氮化的能力：