[论文解读] Fabrication of highly dense isotropic Nd-Fe-B bonded magnets via extrusion-based additive manufacturing

Ling Li, Kodey Jones+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2017

Magnetic Properties of Alloys参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究展示了通过挤出式增材制造技术制备高致密、各向同性Nd-Fe-B粘结磁体，稀土粉末体积分数达70%，实现密度5.15 g/cm³，磁性能优异：Br = 5.8 kG，Hci = 8.9 kOe，(BH)max = 7.3 MGOe。该工艺可实现大型复杂零件的快速净成形，具有低涡流损耗特性，并通过聚合物涂层显著提升热稳定性。

ABSTRACT

Isotropic bonded magnets with a high loading fraction of 70 vol.% Nd-Fe-B are fabricated via an extrusion-based additive manufacturing, or 3D printing system that enables rapid production of large parts for the first time. The density of the printed magnet is 5.15 g/cm3. The room temperature magnetic properties are: intrinsic coercivity Hci = 8.9 kOe (708.2 kA/m), remanence Br = 5.8 kG (0.58 Tesla), and energy product (BH)max = 7.3 MGOe (58.1 kJ/m3). The as-printed magnets are then coated with two types of polymers, both of which improve the thermal stability at 127 °C as revealed by flux aging loss measurements. Tensile tests performed at 25 °C and 100 °C show that the ultimate tensile stress (UTS) increases with increasing loading fraction of the magnet powder, and decreases with increasing temperature. AC magnetic susceptibility and resistivity measurements show that the 3D printed Nd-Fe-B bonded magnets exhibit extremely low eddy current loss and high resistivity. Finally, we show that through back electromotive force measurements that motors installed with 3D printed Nd-Fe-B magnets exhibit similar performance as compared to those installed with sintered ferrites.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、快速制造大型各向同性Nd-Fe-B粘结磁体的工艺，其稀土含量高。
• 通过挤出式3D打印技术，在增材制造的粘结磁体中实现高致密化与最优磁性能。
• 评估打印磁体在高温下的热稳定性和机械性能。
• 评估电磁性能，包括涡流损耗和电阻率，以评估其在电机应用中的潜力。
• 通过反电动势测量，验证3D打印磁体在实际电机系统中的功能性能。

提出的方法

• 采用挤出式增材制造技术，制备了稀土粉末体积分数为70%的各向同性Nd-Fe-B粘结磁体。
• 通过定制的3D打印装置，精确沉积磁性-聚合物浆料，实现近净成形零件的制造。
• 对磁体表面施加两种类型的聚合物涂层，以提升热稳定性和抗氧化性能。
• 使用振动样品磁强计（VSM）在室温下测量磁性能。
• 通过交流磁化率和电导率测量，评估涡流损耗特性。
• 在原型电机上进行反电动势（back EMF）测量，以对比其与烧结铁氧体磁体的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 挤出式增材制造能否实现高稀土含量与高致密化的各向同性Nd-Fe-B粘结磁体？
• RQ2 3D打印磁体的磁性能与传统粘结磁体及烧结磁体相比如何？
• RQ3 聚合物涂层在127 °C下对打印Nd-Fe-B磁体的热稳定性改善程度如何？
• RQ4 温度如何影响打印磁体的抗拉强度？
• RQ5 3D打印的Nd-Fe-B磁体是否表现出极低的涡流损耗和高电阻率，适合用于电机应用？

主要发现

• 3D打印的各向同性Nd-Fe-B粘结磁体在70 vol.%稀土粉末加载下实现了5.15 g/cm³的高密度。
• 磁体在室温下表现出优异的磁性能：Br = 5.8 kG（0.58 T），Hci = 8.9 kOe（708.2 kA/m），(BH)max = 7.3 MGOe（58.1 kJ/m³）。
• 聚合物涂层显著降低了127 °C下的磁通老化损失，表明热稳定性明显提升。
• 抗拉强度随磁粉加载量增加而提高，但随温度升高而下降，尤其在100 °C时下降明显。
• 磁体表现出极低的涡流损耗和高电阻率，证实其适用于动态电磁应用。
• 反电动势测量结果表明，采用3D打印Nd-Fe-B磁体的电机性能与采用烧结铁氧体磁体的电机相当。