燒結(jié)型NdFeB永磁體表面功能性膜層的制備及性能研究.pdf

1、第三代稀土釹鐵硼(NdFeB)永磁體因其高的飽和磁通量、矯頑力、磁能積(BH)max、良好的機(jī)械加工特性和相對(duì)低廉的價(jià)格，在聲學(xué)、航空、電子、自動(dòng)化、生物和通訊等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但NdFeB永磁體的耐腐蝕性能非常差，在腐蝕介質(zhì)或潮濕環(huán)境中易形成腐蝕原電池，使磁體組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致磁性能下降乃至最終粉化，嚴(yán)重阻礙和限制了其在眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用?？垢g性能已經(jīng)成為評(píng)價(jià)NdFeB永磁體應(yīng)用性能的關(guān)鍵指標(biāo)，因此提高NdFeB永磁體在

2、實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的耐腐蝕性能具有十分重要的意義。迄今為止所報(bào)道的關(guān)于燒結(jié)型NdFeB永磁體表面腐蝕保護(hù)膜層的研究主要側(cè)重于工藝研究及其短期耐腐蝕性能測(cè)試，而對(duì)膜層在實(shí)際腐蝕環(huán)境中的腐蝕保護(hù)能力的長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試、膜層電化學(xué)腐蝕行為變化、失效機(jī)理方面的探討則鮮有報(bào)道。膜層對(duì)NdFeB磁體長(zhǎng)期的腐蝕保護(hù)性能研究對(duì)于該磁體的廣泛應(yīng)用更具有指導(dǎo)意義。
　　 本文在研究和借鑒近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)燒結(jié)型NdFeB永磁體及其它金屬材料腐蝕研究方法的基礎(chǔ)

3、上，通過(guò)大量的正交試驗(yàn)，在燒結(jié)型NdFeB永磁體表面制備出多種具有優(yōu)異耐腐蝕性能的膜層，并利用電化學(xué)極化、電化學(xué)阻抗譜和浸泡等測(cè)試跟蹤膜層在實(shí)際腐蝕環(huán)境對(duì)永磁體的腐蝕保護(hù)能力的變化，分析和探討了膜層的電化學(xué)腐蝕行為及失效機(jī)理。本論文通過(guò)電沉積和溶膠凝膠技術(shù)相結(jié)合的方法，首次制備了封孔的Ni-TiO2復(fù)合膜層、Ni-Co合金鍍層、Ni-Co-TiO2合金復(fù)合鍍層和硅烷處理的Zn-TiO2梯度膜層。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 (

4、1)以環(huán)境友好和操作工藝相對(duì)簡(jiǎn)易為前提，結(jié)合溶膠凝膠技術(shù)及脈沖電沉積技術(shù)，在燒結(jié)型NdFeB永磁體表面制備了密封的Ni-TiO2復(fù)合膜層(SCC)。作為對(duì)比，對(duì)未封孔的Ni-TiO2復(fù)合膜層(UCC)也做了相應(yīng)研究。電化學(xué)阻抗和極化測(cè)試結(jié)果表明SCC具有比UCC更為優(yōu)異的耐腐蝕性能，能夠?yàn)闊Y(jié)型NdFeB永磁體提供更好的腐蝕保護(hù)。為了更深入研究SCC對(duì)永磁體的實(shí)際保護(hù)性能，采用電化學(xué)阻抗譜技術(shù)測(cè)試及分析了SCC在中性3.5 wt.％Na

5、Cl腐蝕介質(zhì)長(zhǎng)期浸泡過(guò)程中耐腐蝕性能的變化及失效機(jī)理。浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，SCC的電化學(xué)腐蝕行為分三個(gè)階段。第一階段是浸泡時(shí)間1 h到240 h，這一階段觀察到三個(gè)部分重疊的時(shí)間常數(shù)，此時(shí)SCC的阻抗模值|Z|仍然非常高，說(shuō)明此階段膜層可以對(duì)基體提供優(yōu)異的腐蝕保護(hù)。第二階段是浸泡時(shí)間240 h到264 h，該階段觀察到兩個(gè)明顯的時(shí)間常數(shù)，且SCC的阻抗模值|Z|急劇下降，但SCC仍然對(duì)基體提供了良好的保護(hù)。第三階段是浸泡時(shí)間達(dá)到288 h

6、，此階段只觀察到一個(gè)明顯的時(shí)間常數(shù)，同時(shí)SCC的阻抗模值|Z|下降更多，表明SCC對(duì)基體的腐蝕保護(hù)作用已經(jīng)消失。
　　 (2)應(yīng)用電沉積技術(shù)在燒結(jié)型NdFeB永磁體表面制備了耐腐蝕性能優(yōu)異的Ni-Co合金鍍層。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、能量散射譜(EDS)、X射線衍射(XRD)、動(dòng)電位極化曲線、電化學(xué)阻抗譜(EIS)和浸泡腐蝕等測(cè)試手段表征該合金鍍層的微觀結(jié)構(gòu)、形貌及耐腐蝕性能。微觀結(jié)構(gòu)分析表明，Ni-Co合金鍍層是溶質(zhì)原子

7、(Co原子)占據(jù)溶劑(Ni原子)晶格中的結(jié)點(diǎn)位置而形成的置換固溶體(fcc)；Ni基質(zhì)金屬中Co元素的添加，導(dǎo)致了Ni基質(zhì)金屬的擇優(yōu)取向從(200)晶面變?yōu)?111)晶面。表面形貌測(cè)試說(shuō)明，由于Ni-Co合金鍍層晶粒發(fā)生細(xì)化，所以具有比純鎳鍍層更為致密的形貌；動(dòng)電位測(cè)試結(jié)果顯示，Ni-Co合金鍍層具有比純鎳鍍層更正的腐蝕電位(Ecorr)，更小的腐蝕電流密度(icorr)；EIS的長(zhǎng)期浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該合金鍍層在浸泡576 h后對(duì)基體仍

8、具有良好的腐蝕保護(hù)能力，而純鎳鍍層在浸泡144 h小時(shí)后，其腐蝕保護(hù)能力已經(jīng)喪失。這進(jìn)一步揭示了Ni-Co合金鍍層比純鎳鍍層有更好的耐腐蝕性能。
　　 (3)為了進(jìn)一步擴(kuò)大燒結(jié)型NdFeB永磁體使用范圍，本論文運(yùn)用復(fù)合電沉積方法在燒結(jié)型NdFeB永磁材料表面制備了Ni-Co-TiO2復(fù)合鍍層。通過(guò)EIS和電化學(xué)極化測(cè)試研究了該鍍層在0.5 mol L-1 H2SO4，0.6 mol L-1 NaOH，0.6 mol L-1 Na

9、2SO4和中性的3.5 wt.％NaCl腐蝕介質(zhì)中的電化學(xué)腐蝕行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該復(fù)合鍍層在多種腐蝕介質(zhì)中對(duì)永磁體均具有良好的腐蝕保護(hù)性能。為了更深入研究該鍍層的腐蝕保護(hù)能力及實(shí)用性，本文采用EIS研究了Ni-Co-TiO2合金復(fù)合鍍層在中性3.5 wt.％NaCl腐蝕介質(zhì)長(zhǎng)期浸泡過(guò)程中的電化學(xué)腐蝕行為變化及其原因。長(zhǎng)期浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了在3.5 wt.％NaCl腐蝕環(huán)境中該復(fù)合鍍層能夠?yàn)闊Y(jié)型NdFeB永磁體提供長(zhǎng)期腐蝕保護(hù)的原因：

10、Ni-Co-TiO2復(fù)合鍍層表面生成了鈍化膜。
　　 (4)以環(huán)境友好、操作工藝相對(duì)簡(jiǎn)化和降低工藝成本為前提，結(jié)合溶膠凝膠技術(shù)和電沉積技術(shù)，在燒結(jié)型NdFeB永磁體表面制備了具有機(jī)械隔離和電化學(xué)保護(hù)的雙重腐蝕保護(hù)作用的膜層，即陽(yáng)極性Zn-TiO2/硅溶膠梯度膜層(TZT)。利用電化學(xué)阻抗譜和極化測(cè)試研究了TZT在中性3.5 wt.％NaCl腐蝕介質(zhì)中的耐腐蝕性能。為了進(jìn)一步研究TZT的耐腐蝕性能，在中性3.5 wt.％NaCl腐