前言：

新时期对磁性器件综合性能要求越来越高，比如新能源汽车用电机磁性器件就有轻量化和小型化的需求。目前汽车的减重途径是用铝钢、碳纤维复合材料替代传统钢铁结构材料。

但尚未涉及用量大的磁性材料的减重；现有磁性材料以钕铁硼的综合永磁性能最好，具有高剩磁、高矫顽力等优异的综合永磁性能。

但其存在密度大、导电导热性差、脆性大且不易加工等不足之处，不能满足对磁性器件轻量化和小型化以及安全使用的需求。

一、微量元素对永磁材料磁性能的影响

因此，以铝作为基体，以钕铁硼磁粉作为复合相制备铝基复合材料有望实现轻量化、高强韧以及高导热导电性能。

随着经济社会发展和对材料性能需求的多样化，金属基复合材料逐渐进入学者们的研究领域，因其优异的性能被广泛应用在航空航天、交通运输、国防通讯等领域，具有广泛的发展空间。

金属基复合材料一般是由不同的金属或合金为基体，通过添加不同的增强体制备而成的。通常情况下，增强体因其形态不同又可细分为：颗粒增强、纤维增强和晶须增强等。

其中以颗粒增强金属基复合材料(PRMMC，ParticlesReinforcedMetalMatrixComposites)材料发展最为活跃。

具有制备成本较低、制备工艺简单、机械性能各项同性、组织和性能可通过热处理等后序工艺来改善等特点。

这些显著优点使得颗粒增强金属基复合材料受到广泛关注，为其发展和应用提供了优越的条件，已经成为金属基复合材料领域中极具吸引力的一个研究热点。

近年来，随着高科技和现代化产业的迅速发展，对轻质量、高性能材料的需求日益高涨，要求不断超越现有铝材的物理、化学特性赋予其新的性能和功能,去开发兼具结构性和功能性的复合材料。

颗粒增强铝基复合材料(Particles Reinforced Aluminum Matrix Composites)以其轻质、高比刚度、高比强度、低膨胀、高热稳定性等优异性能而广泛受到人们的关注,是目前最常用、发展最快且最具竞争力的金属基复合材料之一。

且具有生产工艺相对简单、易批量生产、材料易成型、成本低等优点，并且全世界内铝资源的分布十分广泛，铝基体种类选择多，更有利于材料的推广和应用，目前被广泛应用于军事武器装备、制造卫星及航天材料等行业。

目前，在制备颗粒增强铝基复合材料时，铝合金基体可以是液态或者是固态粉末；增强体既可以从外界直接加入，也可以通过原位反应生成。

根据增强相粒子加入方式的不同，通常可以将颗粒增强铝基复合材料的制备工艺分成以下两大类：原位内生法和外加法。

原位内生法是在铝合金基体中发生化学反应直接生成增强相颗粒；外加法则是将增强相颗粒从外界加入到铝合金基体中，常见的有粉末冶金法、搅拌铸造法、喷射沉积法等等。

二、微波烧结Nd2Fe14Bp/Al复合材料的微观组织和机制分析

粉末冶金技术是最早也是最常采用的制造金属基复合材料的方法，也是制备高熔点难成型材料的传统工艺。

其工艺过程是首先用球磨等机械方式将两种或两种以上的增强体与金属粉末均匀混合，然后压制成型。

最后在真空气氛下加热到固液两相区内通过热等静压烧结制成复合材料坯锭，经过热压后的坯料可以进行挤压、轧制、铸造变形等后序处理制成所需的型材和零部件。

Mahboob等人用粉末冶金法制备了纳米Al2O3增强铝复合材料，研究发现,材料性能也受粉末球磨时间的影响，试样的拉伸性能和硬度随着球磨时间的延长而提高，当球磨12h，增强体含量为5wt.%时，复合材料的强度显著提高，延伸率却没有明显变化。

Amal E. Nassar和Eman E. Nassar用粉末冶金法制备了纳米TiO2颗粒增强Al基复合材料，结果显示，当TiO2含量从无增加到4.5wt.%时，材料的拉伸强度从160MPa增加到190MPa。

分析认为是由于TiO2增强相均匀分布在Al基体中，能起到位错钉扎的作用，同时还能细化晶粒，使得材料的性能得到改善。

目前搅拌铸造法包括液态机械搅拌法及半固态机械搅拌法。液态机械搅拌法是利用搅拌器的快速旋转使增强相颗粒均匀分布在液体中，然后浇注成型。

该工艺的优点主要是操作简单易行，成本相对较低，可实现大批量生产，但制备温度通常很高，增强相颗粒不易与基体颗粒混合均匀，材料会吸气严重，带入一些气体或夹杂物造成浇注缺陷。

半固态机械搅拌法是把基体金属加热到固相与液相温度区间，金属熔化后再将增强颗粒加入到半固态熔体中进行浇注。

由于增强相颗粒和基体间一般存在密度差，容易出现上浮或者下沉，此时主要依靠半固态金属的粘性来阻止此现象的发生，从而得到性能良好的复合材料。

此方法得到的复合材料增强相颗粒分散均匀，但只能用于有固液相温度区间的基体合金复合材料。

Zhang等人利用半固态搅拌铸造法结合热挤压工艺制备了纳米SiCp/2014Al复合材料,并测试了其高温拉伸性能。

结果表明,当增强相含量为0.5wt.%时,制备的复合材料在220 C下拉伸强度得到明显的提高，同时也具有良好的塑性。

三、微波烧结Nd2Fe14Bp/Al复合材料的致密度、力学性能和磁性能

胡海萍等人利用半固态搅拌法制备了SiC颗粒增强Al基复合材料，研究发现，材料中SiC颗粒在基体中分布均匀，且材料的弹性模量和屈服强度都有显著提高。

Amirkhanlou等人采用喷射沉积方法成功制备出了纳米SiCp/A356复合材料，研究表明，与相同含量下的搅拌铸造工艺获得的复合材料相比。

该方法制得的材料在室温下的拉伸强度、屈服强度和延伸率分别提高112%、90%和136%，在高温（573K）下抗拉强度、屈服强度和延伸率分别提高100%、103%和129%。

如果只解释复合材料的力学行为，则一般采用Shear Lag模型；而除了模拟复合材料的力学行为，同时还要解释复合材料导热和热膨胀等物理学行为，此时常采用Eshelby模型。

剪切滞后模型中相对常用的是Nardone和Prewo完善的剪切滞后模型，通过其推导得出的屈服强度理论值与实际测试值相比，误差范围在 0.1内。

1972年，Farid等人采用还原扩散法制造SmCo5永磁体, 制造出的永磁体磁能积高达208kJ/m3, 制造工艺逐渐成熟。

因为Co属于战略元素，而Sm在稀土矿中含量较少且价格昂贵，这使得钐钴（Sm/Co）永磁体的推广使用受到了限制。

因为Fe远比Co便宜，Nd也比Sm便宜，而且Nd、Fe的资源含量十分丰富，这使钕铁硼永磁体在很大程度上取代了钐钴永磁体。

从1980年起，Croat，Koon和Becker等人广泛研究了R-Fe系微晶永磁体, 发现了具有高各向异性的四方结构的Nd2Fe14B化合物。

Herbst等人采用中子衍射法以及Givord等人用X射线衍射方法确定了Nd2Fe14B化合物的晶体结构和磁结构，Nd2Fe14B属四方晶系，空间群为P42/mnm，点阵常数a=8.792Å，c=12.190Å。其中每个晶胞是由4个Nd2Fe14B分子组成。

一个晶胞内有8个Nd原子、4个B原子和56个Fe原子，一共68个原子。Nd原子分别位于4f、4g两个晶位，Fe原子分别位于16k1、16k2、8j1、8j2、4c和4e等6个不等效的晶位。

B原子位于4g晶位，e、c、j1、k1、k2晶位的Fe原子构成了σ层，位于8j2晶位的Fe原子和位于4f、4g晶位的Nd原子则夹在σ层之间。

双相复合永磁材料是一种具有广阔发展前景的新一代稀土永磁材料，自问世以来，该材料的研究就受到各国研究者的广泛关注。

1991年, 德国鲁尔大学的Kneller和Hawing通过研究提出了软硬磁性相间的交换耦合作用可以使材料同时具有硬磁相的高矫顽力和软磁相的高剩磁, 因此材料可以获得很高的磁能积, 这为复合稀土永磁材料的发展提供了理论研究基础。

Sabiryanov R F和Jaswalss计算出纳米复合FePt/Fe永磁合金多层膜的磁性，结果表明，FePt/Fe永磁多层薄膜的最大理论磁能积可达到720kJ/m3，远高于现有永磁材料。

四、Co元素对Nd2Fe14Bp/Al复合材料组织及性能的影响

为了进一步提高双相复合永磁材料的磁性能，近年来，众多研究学者对复合永磁材料进行了大量的研究工作，这其中以钕铁硼系的复合永磁材料的研究最为热门，并且取得了一定的成果。

目前最常用的是通过添加微量元素方法来优化材料的微观组织，进而提高合金的磁性能。一般情况下，可以把添加的元素分为替代型和掺杂型两类。

替代型元素主要是指用稀土元素、过渡族元素原子等替代Nd、Fe、B元素，这些元素原子可以直接进入钕铁硼的硬磁相结构, 形成了Nd2(Fe,M)14B相或者(Nd,M)2Fe14B相，提高其内禀磁性能。

目前常用的元素有Co、Dy、Ga及部分稀土元素。掺杂型元素的主要作用是细化晶粒，改善晶粒分布的均匀性，从而提高材料的磁性能，一般选择在软、硬磁相中固溶度都很低的元素。

常见的元素主要有Ti、Cr、Zr、Nb等。Davies等人通过研究发现, Co元素可以同时进入硬磁相和软磁相，可以替换Fe原子，生成Nd2(Fe,Co)14B强磁相，饱和磁感应强度得到提高，同时有利于提高磁体的剩磁和最大磁能积。

Yang等人通过研究发现添加3wt.% 5wt.%的Co可以提高磁体的居里温度，使Nd2Fe14B的可逆温度系数大幅度降低，改善温度稳定性，可以使磁性能保持在较高的温度范围内，同时还能促进晶粒均匀长大，但Co加入量过多会导致晶粒的粗化。

2006年美国俄亥俄州德顿大学磁学实验室刘世强博士报告了制备的成分为(Nd,Pr,Dy)2Fe14B/α-Fe的永磁体，测量得到的磁性结果为，最大磁能积(BH)max=250.46kJ/m3, 矫顽力Hc=1.32T。

由此可知，微波烧结时的升温速率会同时受到微波场场强、材料热容和材料密度等因素的影响，当微波频率一定时，微波的升温速率与材料的介电损耗因子ε’’和电场强度E2成正比。

当材料的介电损耗因子较小时，为获得合适的升温速率，就需要很高的电场强度，这样容易造成材料的电击穿破坏。

当材料的介电损耗因子ε’’较大时，此时材料可以吸收大部分微波，但是这样会导致大体积材料加热时受热不均匀。

总结：本文通过微波烧结制备了磁性Nd2Fe14Bp/Al复合材料，探讨分析了Nd2Fe14B的加入量、微波烧结参数对材料微观组织和力学性能及磁性能的影响。

在此基础上研究了加入Co元素对材料的微观组织和磁性能的影响；同时，对比研究了微波烧结与传统烧结对复合材料材料烧结组织与性能的影响。