朱海燕,張敏剛

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西太原 030024)

改性環(huán)氧樹脂對粘結(jié)NdFeB磁體性能的研究

朱海燕,張敏剛

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西太原 030024)

用改性環(huán)氧樹脂作粘結(jié)劑,在不同工藝條件下制備粘結(jié)NdFeB磁體,并對其性能進(jìn)行了研究.結(jié)果表明,改性環(huán)氧樹脂粘結(jié)NdFeB磁體性能高于傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂粘結(jié)NdFeB磁體,在模壓溫度130℃、保壓時間2 min、固化時間120 min、固化溫度120℃條件下制備的磁體,其磁性能最佳.

改性環(huán)氧樹脂;粘結(jié)永磁體;粘結(jié)劑;溫壓;磁性能

粘結(jié)磁體自八十年代中期問世以來,人們已研究了多種粘結(jié)劑材料,如非磁性高分子化合物環(huán)氧樹脂(熱塑性)、酚醛樹脂(熱固性)、尼龍、聚苯硫醚、聚乙烯、橡膠和低熔點金屬Bi,Sn,Pb,Zn,Al等[1-3].劉穎等人[4]研究了二茂金屬高分子鐵磁粉對粘結(jié)永磁復(fù)合材料性能的影響.陳德波等人[5]研究了環(huán)氧樹脂用量對磁體性能的影響,結(jié)果表明粘結(jié)劑含量為2.5%時磁體具有較佳的性能.李軍等人[6]研究了硅烷處理對磁體性能的影響,表明磁粉經(jīng)適當(dāng)硅烷處理后有利于磁性能提高.張虹等人[7]研究了5種不同的環(huán)氧樹脂對磁體性能的影響,認(rèn)為常溫下為固態(tài)、環(huán)氧值較高且與磁粉表面相容性好的樹脂是制備粘結(jié)NdFeB磁體的理想粘結(jié)劑.

單一的酚醛樹脂經(jīng)化學(xué)反應(yīng)固化后的產(chǎn)物耐熱性好,但性質(zhì)較脆,因此純酚醛樹脂的膠結(jié)強度不高.在大多數(shù)情況下,用熱塑性樹脂或合成樹脂等將其進(jìn)行改性.未改性的酚醛樹脂膠只能膠結(jié)木材、硬質(zhì)泡沫塑料及其他多孔材料.以其他高聚物改性的酚醛樹脂為基料的膠粘劑,在結(jié)構(gòu)膠中占有重要地位.本文用 KY-2055改性環(huán)氧酚醛樹脂作粘結(jié)劑,制備出了磁性能良好的粘結(jié)NdFeB磁體.

1 實驗方法

1.1 實驗原料、儀器和設(shè)備

主要原料為美國GM公司生產(chǎn)的快淬MQP-16磁粉、硅烷偶聯(lián)劑 KH-550、環(huán)氧樹脂 E-44和 KY-2055等.使用769YP-24B型粉末壓片機制備磁體,采用NIM-200C磁性測量儀測量磁體性能.

1.2 樣品制備

將快淬NdFeB磁粉經(jīng)偶聯(lián)劑 KH-550處理后,與環(huán)氧酚醛樹脂混合,然后放入干燥箱中在60℃干燥2 h,壓制成Φ10 mm×10 mm的圓柱體.最后在不同溫度和時間下進(jìn)行固化處理,測量其磁性能.

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 改性環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑制備的磁體性能

將改性環(huán)氧樹脂和傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂均按質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的比例分別與磁粉混合均勻,然后在600～1600 MPa下保壓120 s壓制成圓柱體,在150℃固化3 h,待冷卻后,測其磁性能,結(jié)果如圖1所示.

圖1 改性環(huán)氧樹脂和傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂制備的磁體性能比較Fig.1 Properties of different binder magnets

從圖1可知,用改性環(huán)氧樹脂作粘結(jié)劑制備的磁體的性能比用傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂作粘結(jié)劑制備的磁體性能好,尤其在壓力較低時更明顯.這是因為改性環(huán)氧樹脂比傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂的粘結(jié)強度大,在壓力較小時就能將磁粉緊緊粘結(jié)在一起;隨著壓力的提高,磁粉與粘結(jié)劑間的間隙逐漸縮小,用兩種粘結(jié)劑制備的磁體性能接近.

2.2 改性環(huán)氧樹脂作粘結(jié)劑時制備工藝參數(shù)對磁體性能的影響

采用改性環(huán)氧樹脂作粘結(jié)劑,在150℃進(jìn)行固化時間對磁體性能影響的實驗,實驗結(jié)果如圖2所示.由圖2可知,從90 min到120 min磁能積升高,之后開始下降.這是因為磁體與粘結(jié)劑之間發(fā)生了固化交聯(lián)反應(yīng),鏈?zhǔn)降恼辰Y(jié)劑在反應(yīng)后形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使磁粉和粘結(jié)劑之間的結(jié)合更緊密,磁體致密度更高.同時,在一定固化溫度下粘結(jié)劑和磁粉之間相互滲透、擴散,使磁體密度更均勻、缺陷減少;當(dāng)然滲透和擴散需要一定的時間才能達(dá)到較好的效果.當(dāng)粘結(jié)劑完全固化時,粘結(jié)劑失去流動性,形成不溶不熔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).固化時間太短則反應(yīng)不完全,一定時間后,固化反應(yīng)基本徹底完成,即使再延長固化時間,其交聯(lián)度也不會再有提高.與此同時,磁體長時間處在高溫下,未被粘結(jié)劑完全包覆的磁粉就會氧化,使磁體性能下降.

圖2 固化時間對粘結(jié)磁體性能的影響Fig.2 Relationship between thermosetting time and magnet properties

圖3 固化溫度對粘結(jié)磁體性能的影響Fig.3 Relationship betweene thermosetting temperature and magnet properties

圖3為固化溫度對磁體性能影響的關(guān)系曲線.由圖3可知,在130 ℃之前,剩磁、矯頑力、磁能積隨固化溫度升高而升高,130℃后隨溫度升高,剩磁、矯頑力、磁能積降低.這是因為在130℃左右改性環(huán)氧樹脂和磁粉發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),由線形結(jié)構(gòu)交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),將磁體緊緊拉在一起,使磁粉顆粒之間的間隙更小,接觸更緊密,磁體性能提高.但是隨著溫度繼續(xù)升高,磁體氧化現(xiàn)象逐漸明顯,磁體外圍的磁粉首先被氧化,繼而磁體內(nèi)部的磁粉也逐漸氧化.磁體內(nèi)部的氧化是在制備過程中,磁體內(nèi)部空隙中不可避免的有空氣封閉在內(nèi),且在溫度升高時空隙中的氣體溫度升高、壓強增大,使反應(yīng)活性增強,促使空氣與磁粉的氧化反應(yīng)發(fā)生.剩磁是隨著固化溫度和固化時間的增加逐漸減小的,這是因為磁體在150℃環(huán)境下會緩慢的退磁,磁粉的氧化不斷加劇所導(dǎo)致.

模壓溫度和保壓時間對磁體性能的影響如圖4,5所示.由圖4可知,在90～100℃范圍隨著模壓溫度升高,磁體性能Br,(B H)max,Hci降低;之后隨模壓溫度升高磁性能逐漸升高;在130～140℃范圍,隨模壓溫度升高磁性能下降.

圖4 模壓溫度對粘結(jié)磁體性能的影響Fig.4 Effect of compaction temperature on bonded magnet properties

圖5 保壓時間對粘結(jié)磁體性能的影響Fig.5 Effect of dwell time on bonded magnet properties

改性環(huán)氧樹脂是高分子聚合物,在固化過程中它與固化劑形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).熱固性樹脂在交聯(lián)前與熱塑性樹脂相似,同屬于線性聚合物,在低于固化溫度時表現(xiàn)出良好的塑性.成型時這些分子自帶的反應(yīng)基團(tuán)和固化劑交聯(lián)在一起,形成緊密的剛性體型結(jié)構(gòu).交聯(lián)的過程分為三個階段[9]:①甲階段:在90～100℃范圍有良好的可溶、可熔性,隨著溫度升高,粘結(jié)劑由固體逐漸向液體轉(zhuǎn)變,粘結(jié)劑分子從凍結(jié)狀態(tài)向運動狀態(tài)轉(zhuǎn)變,磁粉與磁粉之間互相粘連,磁粉間的摩擦力增大,磁粉不易流動.同時,粘結(jié)劑中產(chǎn)生的小分子氣體隨溫度升高,粘結(jié)磁體中的氣孔體積增大,缺陷增多,致使粘結(jié)磁體的密度降低,嚴(yán)重影響了磁性能.100～130℃粘結(jié)劑粘度變小,磁粉的流動性進(jìn)一步增強,磁粉能均勻填充模腔內(nèi)的各處空間,磁粉間的間隙減小,壓制后的磁體各處密度均勻一致.溫度升至130℃時,粘結(jié)劑與磁粉的混合流動性達(dá)到最大,磁粉之間能夠緊密的粘結(jié)在一起,形成致密的粘結(jié)體.②乙階段:高于130℃時,分子間開始產(chǎn)生交聯(lián)鍵,此時樹脂的可溶、可熔性下降,但仍然可塑.③丙階段:此階段溫度達(dá)到固化溫度,反應(yīng)速率在此溫度下迅速升高,在很短的時間內(nèi)粘結(jié)劑分子交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),樹脂達(dá)到不溶不熔的深度交聯(lián),磁粉沒有來得及自由流動,固化反應(yīng)就完成了,致使模腔填充不完全.

由圖5可知,隨保壓時間的延長,Br,(B H)max,Hci呈上升趨勢,保壓時間為120s時磁性能最佳,之后延長保壓時間,Br,(B H)max,Hci又下降.其原因是片狀磁粉在保壓過程中相對滑動,模具中的空隙得到充分填補,壓力在磁體中傳遞更加充分,磁體各部分受力均勻,磁粉變形并相互嚙合,磁體性能升高.繼續(xù)延長保壓時間,粉末之間的空隙逐漸減小,磁粉在壓力下變形達(dá)到最大程度并開始斷裂,損壞了晶體的晶格結(jié)構(gòu),導(dǎo)致磁體性能下降.

3 結(jié) 論

與傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂粘結(jié)NdFeB磁體相比,改性環(huán)氧樹脂粘結(jié)NdFeB磁體具有更高的磁性能;用改性環(huán)氧樹脂作粘結(jié)劑,在模壓溫度130℃、保壓時間2 min、固化時間120 min、固化溫度120 ℃的條件下制備的磁體,其磁性能最佳.

[1]劉穎,涂銘旌.高性能的尼龍1010粘結(jié)NdFeB永磁材料的制備[J].復(fù)合材料學(xué)報,1999,16(3):7-11.

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Investigation on the bonded NdFeB magnets made by using modified epoxy resin

ZHU Hai-yan,ZHANG Min-gang
(Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan030024,China)

An investigation was carried out on the bonded NdFeB magnets made by using modified epoxy resin as adhesive under different process conditions.The results show that the magnetic properties of the bonded NdFeB is better than that of the NdFeB made using traditional expoxy resin.The magnetic properties go up to the peak when the molding temperature is 130℃,dwell time 2 min,curing temperature 120℃and curing time 120min.

modified epoxy resin;bonded permanent magnet;adhesive;warm compaction;magnetic properties

TM273

A

1673-9981(2010)03-0211-05

2010-03-11

朱海燕(1982—),女,山東淄博人,碩士研究生.