稀土永磁材料辐照效应研究进展

第１６卷第２期材料科学与工艺ＶｏＬｌ６Ｎｏ．２２００８年４月ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡｐｒ．，２００８

稀土永磁材料辐照效应研究进展

高润生１，杨丽１，王雪航２，甄良１，邵文柱１

（１．哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨１５０００１，Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｒｓｌＭ５１＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ．ｃｎ；

２．黑龙江省卫生监督所放射卫生监督科，哈尔滨１５０００１）

摘要：稀土永磁材料以其优异的磁性能而日益得到广泛的应用，人们对其在各种环境下的磁性能稳定性，包括辐照环境下的性能越来越关注．本文对稀土永磁材料的辐照效应研究进行了回顾，包括质子、中子、电子、１一射线与Ｘ一射线辐照的影响，并总结了稀土永磁材料辐照损伤机理方面的研究，指出为提高稀土永磁材料的抗辐照能力，还需深入研究以揭示辐照损伤机理．

关键词：稀土永磁材料；辐照；辐照损伤机理

中图分类号：ＴＭ２７３文献标识码：Ａ文章编号：１００５—０２９９（２００８）０２—０２６７一０４

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｒａｒｅ－ｅａｒｔｈｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓ

ＧＡＯＲｕｎ．ｓｈｅｎ９１，ＹＡＮＧＬｉｌ，ＷＡＮＧＸｕｅ．ｈａｎ９２，ＺＨＥＮＬｉａｎ９１，ＳＨＡＯＷｅｎ—ｚｈｕｌ

（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ；

２．Ｒａｄｉ９１０９ｉｃａｌＨｅａｌｔｈＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＦａｃｕｌｔｙ，ＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＨｅＭｔｈＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒａｒｅ—ｅａｒｔｈｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｈａｓｂｅｅｎｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｗｉｌｄｌｙｕｓｅｄｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｈｉｇｈｐｅｒ－ｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｈａｓａｔｔｒａｃｔｅｄａｔｔｅｎｔｉｏｎ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｅｎｖｉ—ｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｓｔｕｄｉｅｓｏｆｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｉｎｒａｒｅ－ｅａｒｔｈｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｐｒｏｔｏｎｓ，ｎｅｕｔｒｏｎｓ，ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ，＾ｙ—ｒａｙｓａｎｄＸ—ｒａｙｓｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ．Ａｎｄｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｈｅｒｅ．Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｒａｒｅ—ｅａｒｔｈｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔ，ｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｉｅｓｔｏｒｅｖｅａｌｔｈｅｉｒ－ｒａｄｉａｔｉｏｎｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｒｅｎｅｃｅｓｓａｒｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒａｒｅ—ｅａｒｔｈｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔ；ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ；ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｍｉｓｍ

随着稀土永磁材料的不断发展，性能有了大幅和稳定性要求高的许多重要场合都有应用．对于提高，因此，在磁约束受控热核聚变、同步辐射装ＮｄＦｅＢ合金，由于新型高性能产品不断涌现，虽然置、粒子加速器及核武器冲击系统等领域获得了广该材料受辐照影响较大，但由于其价廉、磁性能优泛的应用．但在使用过程中，稀土永磁部件将会直异（但居里点较低）等优点使之成为辐照条件下永接暴露在中子、带电粒子及射线的作用下．目前，国磁体的重要候选者．人们在不断提高磁性能的同外广泛采用稀土永磁材料制造下一代光源和阻尼时，对在各种环境下磁性能的稳定性问题也十分重环上的摇摆器、波动器和四极磁极等装置¨，２ｌ。由视．最近，美国航天局针对应用于新型离子发动机于发生过永磁体退磁的事故，因而引起了人们对稀的高温永磁体专门设立项目，研究其在真空和辐照土永磁材料辐照效应的高度重视ｐ’引．条件下的稳定性旧Ｊ．因此，探讨辐照对稀土永磁材

目前，稀土永磁材料主要包括Ｓｍ—Ｃｏ合金和料的可能影响，建立辐照实验数据库，并揭示减少ＮｄＦｅＢ合金．Ｓｍ—Ｃｏ合金具有居里温度高、剩磁温这些不良影响的可能途径是很迫切的．度系数低、磁性能稳定性好等优点，在使用温度高随着我国航空航天领域的迅速发展，对于稀

土永磁材料的辐照研究势在必行．但国内对永磁

收稿日期：２００５一ｌｌ—０４．体稳定性方面研究尚少ｂ

基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０６７１０３１）．Ｊ，辐照效应研究也鲜有

作者简介：高润生（１９７６一），男，博士研究生；报道【６’７｜．本文对稀土永磁材料的辐照效应研究甄良（１９６６一），男，博士，教授，博士生导师进行了回顾，并探讨了辐照损伤机理和提高抗辐

万　方数据

?２６８?

材料科学与工艺

第１６卷

照能力的研究途径．１

质子辐照对稀土永磁的影响

１．１质子辐照对Ｓｍ—Ｃｏ磁体的影响

Ｃｏｎｉｎｃｋｘ等¨１对Ｓｍ—Ｃｏ合金的高能量

（４００ＧｅＶ）质子辐照效应进行了研究，发现除２：１７型Ｓｍ—Ｃｏ合金外试样均发生了很大的退磁。且不同厂商材料性能变化的差异很大．作者认为大幅退磁很可能是由于辐照诱发了晶格结构发生改变而造成的．其它研究也发现，质子辐照对ＳｍＣｏ，的影响比对Ｓｍ：Ｃｏ。，的影响大十倍以上．

Ｂｌａｃｋｍｏｒｅ等归。研究了５００ＭｅＶ时质子辐照对Ｓｍ—Ｃｏ磁体的影响．在质子束剂量为１０９—１０ｍｍｄ时，ｓｍ—Ｃｏ磁体发生大幅退磁现象，这种效应不能用宏观尺度上的高温加热机制来解释．不同厂商产品的退磁也有很大的差异，这可能是由于不同的生产过程和存在的不同杂质造成的．

Ｋａｈｋｏｎｅｎ等¨驯则研究了高温质子辐照对Ｓｍ—Ｃｏ磁体的影响．ＳｍＣｏ，在室温时对质子辐照不敏感，而在高温下对辐照却十分敏感，磁性能有显著下降．其在高温时磁性变化与ＮｄＦｅＢ在室温时的类似．作者提出了一种辐照机制，认为作用于永磁体的粒子使磁体局部加热，进而造成了反向畴的形核与长大．

１．２质子辐照对ＮｄＦｅＢ磁体的影响

Ｂｌａｃｋｍｏｒｅ掣钊首次报道了带电粒子辐照对

ＮｄＦｅＢ比对Ｓｍ—Ｃｏ磁体有更大的影响作用．质子剂量为４×１０６ｔａｄ时，磁性能损失达５５．４％，但通过重新磁化后可使之完全恢复；剂量为７×１０７ｒａｄ时，试样几乎完全退磁．ＮｄＦｅＢ磁体对质子辐照极其敏感，且性能变化与温度之间有密切的关系．

Ｔａｌｖｉｔｉｅ等¨ｌＪ研究了２０ＭｅＶ质子辐照对Ｎｄ．ＦｅＢ磁体的影响．磁通量损失与辐照温度、试样尺寸以及磁化方向有关．室温时，ＮｄＦｅＢ对２０ＭｅＶ质子辐照极其敏感，剂量为０．１Ｍｒａｄ时，磁性能损失１０％；剂量为１０Ｍｒａｄ时，试样几乎完全退磁．在低温时，辐照导致的磁性能损失则小得多．当磁体工作点较高时，室温辐照时无磁通损失．辐照前后磁滞回线没有变化，说明试样虽然几乎完全退磁，但不足以导致永久显微组织变化．性能变化可通过局部加热和试样工作点不同来解释，磁通损失与温度的

关系可由级联碰撞造成的局部加热模型来解犁１１Ｊ２Ｊ．

Ｋａｈｋｏｎｅｎ等¨２１对ＮｄＦｅＢ辐照时的温度和形状效应进行了深入的理论研究．研究表明，磁通损失强烈地取决于辐照温度和试样的形状．他们发展了一种粒子辐照导致磁通损失的理论模型，以

万　

方数据解释辐照对温度的依赖关系．他们还进一步考虑了外磁场、粒子能量和粒子类型对材料的辐照效应的影响ｎ３１。并对以前提出的模型进行了修改，以描述磁通损失与内磁场的关系．结果表明，磁通损失也明显依赖外磁场的强弱，但对质子能量的依赖性较弱；模拟结果进一步支持了局部加热形成新反向畴的辐照损伤机制．

Ｉｔｏ等【１４Ｊ进行了２００ＭｅＶ质子辐照对ＮｄＦｅＢ、Ｓｍ—Ｃｏ磁体性能影响的研究．质子剂量为１０２—

２

Ｘ

１０５Ｇｙ时，ＮｄＦｅＢ磁体的磁通损失随剂量的增

加而急剧增加，而Ｓｍ—Ｃｏ磁体磁通损失没有大的变化．图１所示为磁通损失与辐照剂量之间的关系．Ｉｔ０等通过和以往研究的分析和比较，总结

出ＮｄＦｅＢ磁体磁通损失与吸收剂量之间的定量

关系，并将导磁系数作为表征磁体的抗辐照能力的参量．导磁系数和矫顽力的提高可以改善Ｎｄ—ＦｅＢ材料的抗辐照能力，并定性认为这种提高与退磁曲线的工作点有关．

Ｓ

．日－Ｏ－

呈毒

ＡｂｓｏｂｅｄＤｏｓｅＤ（ｘ１０４ｏｙ）

图１磁通量与质子剂量之间的关系‘１４３

２

中子辐照

２．１中子辐照对Ｓｍ—Ｃｏ磁体的影响

Ｂｒｏｗｎ等¨纠曾在八十年代早期开展了初步

的研究，他们对Ｓｍ—Ｃｏ磁体在１００。Ｃ时接受中子照射的结果表明，ｓｍ—ｃｏ材料的退磁很小．他们认为磁性的少许下降可能是高温造成的．加速器中使用的永磁体需要在室温以下、并在叠加邻近磁体即有补偿磁场作用的辐照环境下使用．Ｃｏｓｔ等¨刮研究了低温时、在有补偿磁场情况下快中子辐照对Ｓｍ—Ｃｏ磁体的影响．粒子束流量为

２．５

Ｘ

１０“ｎ／ｅｒａ２时，剩磁会在辐照初期损失掉大

部分；在室温以下时，有、无补偿磁场情况下，对不同的材料，既使成分比率相同，磁性能变化也会有很大不同．补偿磁场中，低温时辐照导致的剩磁损失更快．对于给定材料，在施加补偿磁场时剩磁损失增大；低的尺寸比也会使剩磁损失增大．

第２期

高润生，等：稀土永磁材料辐照效应研究进展

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２．２中子辐照对ＮｄＦｅＢ磁体的影响

Ｃｏｓｔ和Ｂｒｏｗｎ等‘１７，ｉｓ］研究了中子辐照对Ｎｄ—ＦｅＢ磁体的影响．中子剂量为１０”ｎ／ｃｍ２时，初始剩磁损失在３５０Ｋ时为５％，在４２６Ｋ时约为１０％【１７］．对于Ｓｍ—Ｃｏ磁体，当束流大于１０１８ｎ／ｃｍ２时才有较大的损失．磁损失是由辐照造成的，而非退火所至．试样矫顽力的提高可能是由于辐照损伤效应所致；剩磁的可逆变化说明辐照损伤并不足以改变材料的冶金结构．剩磁损失随尺寸比的增加而单调降低．两种辐照温度下的磁性变化则有很大差异．在高温辐照时出现一个快速和一个缓慢衰减过程（如图２所示）．可以推测快速和缓慢衰减过程的机制不是一个．