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成果報告書詳細
管理番号20170000000377
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 次世代自動車向け高効率モーター用磁性材料技術開発 新規高性能磁石材料の探索に関する検討 ナノマニュピュレーションによる高温対応SmーCo/αーFe系ナノコンポジット磁石の創製に関する検討
公開日2017/7/6
報告書年度2015 - 2016
委託先名国立大学法人長崎大学 国立大学法人九州大学 国立大学法人九州工業大学
プロジェクト番号P14015
部署名材料・ナノテクノロジー部
和文要約 本調査研究は,重希土類金属の資源的リスクの回避に加えて,Nd-Fe-B磁石を代替する次世代磁石の開発の観点も考慮し,Sm-Co/α-Fe系ナノコンポジット磁石の可能性を調査検討したものである。このために,
(I)膜厚10μm 程度のSm-Co/α-Fe系ナノコンポジット厚膜磁石のナノマニュピュレーション技術による高保磁力化及び異方化手法を開発し,バルクSm-Co/α-Fe系ナノコンポジット磁石粉末開発に繋げる。
(II)Deep Eutectic Solvant 利用等の新技術を用いたSm-Co電析技術を開発し,バルク化へと繋がる「湿式法によるSm-Co/α-Fe系ナノコンポジット磁石粉末作製」の可能性を検討する。
を目的に,以下の5つの調査研究項目を設定した。各項目における成果は以下の通りである。
<調査研究項目A:Sm-Co/針状Fe系ナノコンポジット磁石の限界性能の明確化>
 本調査では,磁粉の作製に針状Feを使用することから,その形状異方性が磁気特性に及ぼす影響を調べた。その結果,形状異方性の影響は小さく,相間の交換相互作用のみを考慮した従来の設計指針を使用できることが明らかになった。
<調査研究項目B:積層型Sm-Co/α-Feナノコンポジット磁石の高性能化>
 高速PLD法を用いたナノマニュピュレーションにより,10 nm程度の硬軟磁性層を1000層程度積層した積層型Sm-Co/α-Feナノコンポジット厚膜磁石を作製した。
 まず,Sm-Co単層膜で異方化条件を検討した結果,基板温度230ー300℃で成膜した後,熱処理により磁気的に硬化することで,面内に異方化した厚膜磁石を得ることができた。この結果を基に,面内に異方化した積層型Sm-Co/α-Feナノコンポジット厚膜磁石を得た。異方性はSm量の減少と共に増加した。また,積層膜では基板加熱なしでも異方化できることを見いだした。
保磁力の改善を目的として,Sm-Co層とα-Fe層間に非磁性バッファ層を挿入した。Taバッファ層は,残留磁気分極Jrの減少を抑制しつつ保磁力Hcを顕著に改善した。Cuバッファ層では,熱処理によりCuはSm-Co層に拡散したが,積層構造は保持された。膜は異方化しており,Hc,Jrとも改善された。Jrの改善は面内異方性の増加によるものであった。
<調査研究項目C:Sm-Co/α-Feナノコンポジット磁石の原子レベルでの微細・化学構造の解明>
  [Sm-Co/TM/α-Fe/TM(TM=Ta or Cu)]積層型ナノコンポジット厚膜磁石の微細構造と化学組成を,主に走査透過電子顕微鏡(STEM)を用いて解析した。Ta挿入試料では,熱処理に伴ってTa(Co,Fe)2ラーベス相の微結晶粒が生成し,Sm(Co,Fe)5, α-(Fe,Co)およびTa(Co,Fe)2の微結晶粒が混在した分散型ナノコンポジット組織へと変化した。Cu挿入試料は,熱処理後に [Sm(Co,Cu)5/α-(Fe,Co)/α-Fe]多層膜構造になる。堆積時のCu膜厚が薄い(0.3 nm程度)場合には,α-(Fe,Co)層とSm(Co,Cu)5層がエピタキシャル成長した組織が得られ,異方性の積層型ナノコンポジット磁石を作製できた。
<調査研究項目D:Sm-Co/α-Feナノコンポジット磁石の磁化過程の解明>
磁化過程を調べるために磁気Kerr効果顕微鏡と高解像度CMOSカメラを用いて,Sm-Co厚膜およびSm-Co/α-Feナノコンポジット厚膜磁石の磁化反転を観察した結果,磁化反転領域は約0.8μmであった。厚膜磁石の結晶粒径が20ー30 nm程度であることから,隣接する複数の結晶粒が集団で磁化反転しており,結晶粒間の磁気相互作用が保磁力低下の原因になっていると考えられる。結晶組織の均一化により,より高保磁力化が達成できると期待される。
<調査研究項目E:湿式法によるSm-Co/針状Feナノコンポジット磁粉の創製>
 軟磁性相となる直径30nm以下のFe及びhcp-Coナノワイヤ配列体を次の手順で作製した。まず,ナノチャンネルテンプレートとして,陽極酸化アルミナ厚膜を酸性水溶液から合成した。この際,極間電圧と溶液温度を低下させることにより,細孔径を25 nmまで小さく出来た。次に,細孔中にFeあるいはCoを電析した。その際,FeあるいはCoの磁化容易方向を,細孔の長手方向に揃えることにも成功した。Hcはその直径の減少と共に増大し,Fe及びhcp-Coで,それぞれ,130及び190 kA/mの値を得た。
次に,塩化コリンと尿素の混合物からなるDeep Eutectic Solventを電解溶媒として,Sm-Co膜を湿式法で作製した。Sm-Coの析出及びSm組成の制御には成功したが,Smの酸化を十分には抑制できず,硬磁性材料としての役割を果たす高保磁力膜を得るには至らなかった。
(要約文は文字数の関係で全文記載できませんので詳細は添付の成果報告書本文をご参照ください。)
英文要約This contribution studied the potencial of Sm-Co/alpha-Fe nanocompsite magnets from the viewpoints of the risk management for heavy rare-earth resouces as well as the development of magnets which substitute Nd-Fe-B ones. We set the following purposes;
(I) To develop methods for increasing coercivity Hc of Sm-Co/alpha-Fe thick film-magnets, approximately 10 microns in thickness, and for making them anisotropic by taking advantage of nano-manipilation.
(II) Based on the results in (I), to investigate “preparation of Sm-Co/Fe-nanowire magnetic powder by a wet process” through development of electrodeposition method of Sm-Co using DES (Deep Eutectic Solvant).
Under the above purposes, the following five targets were set. Main results are summarized as follows;

We investigated the effect of shape anisotropy of Fe nanowires on magnetic properties of Sm-Co/Fe-nanowire magnetic powder and clarified that the effect was not remarkable. Therefore, we can use the design guidelines developed previously for conventional nanocomposite magnets.

Multi-layered Sm-Co/alpha-Fe nanocomposite film-magnets, approximately 10 microns in thickness, were synthesized by depositing approximately 10-nm-thick Sm-Co and alpha-Fe layers alternatively.
Firstly, the condition for making films anisotropic was investigated for Sm-Co films and it was found that films with in-plane anisotropy can be obtained by annealing films deposited on substrates heated up to 230-300 degree C. Then, we obtained multi-layered Sm-Co/alpha-Fe films with in-plane anisotropy by taking advantage of the results for the Sm-Co films and found that anisotropic films can be obtained without substrate-heating. The anisotropy increased with decreasing Sm content.
Nonmagnetic buffer layers were inserted between Sm-Co and alpha-Fe layers in order to improve Hc. Ta buffer layers increased Hc without remarkable loss of remanence Jr. As for Cu buffer layers, the obtained films were anisotropic, and both Hc and Jr were improved.

Microstructures and compositions of the [SmCo5/TM/alpha-Fe/TM (TM=Ta or Cu)] multi-layered nanocomposite thick film magnets were investiーgated mainly with scanning transmission electron microscopes (STEM). In the Ta-inserted specimen, a lot of fine grains of Ta(Co,Fe)2 Laves phase were formed by annealing and then the multi-layered structure transformed to the dispersed nanocomposite texture which composed of fine grains of hard magnetic Sm(Co,Fe)5, soft magnetic alpha-(Fe,Co) and Ta(Co,Fe)2. The Cu-inserted specimens after annealing have a [Sm(Co,Cu)5/alpha-(Fe,Co)/alpha-Fe] multi-layered structure. When the as-deposited Cu film thickness is small (~0.3 nm), the epitaxial growth of the alpha-Fe and the Sm(Co,Cu)5 layers are realized, and then anisotropic multi-layered nanocomposite magnet can be produced.
(Because full summary can not be described due to the limited number of characters, please refer to the attached report for details.)
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