通常認為，冷噴涂技術適用于塑性較好的金屬或合金材料的沉積，如鋁、銅、銀、鋅、鎳、鈦、鐵及其合金材料等。近期，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室最新研究表明冷噴涂可用于沉積脆性材料——釹鐵硼。報道指出，采用冷噴涂技術可以在銅或玻璃等基體上獲得具有極佳附著力的Nd2Fe14B沉積，可用于制備釹鐵硼永磁體材料。該成果于2023年6月發表于MRS Communications雜志（https://doi.org/10.1557/s43579-023-00382-x）。
永磁體是從直驅風力渦輪機到電動馬達等清潔能源技術的支柱，也是即將向綠色經濟轉型的關鍵組成部分。然而，高性能稀土永磁體（如Nd2Fe14B）的制造卻面臨著巨大的挑戰且成本高昂。燒結釹鐵硼（Nd2Fe14B）是目前常用的制備方法，但是制造成本高，同時由于燒結磁體需要復雜的機械加工，生產工藝限制了其可行的幾何形狀。粘結磁體（磁粉與聚合物粘合劑混合）克服了這一問題，但代價是聚合物粘合劑導致性能下降。鑒于這些挑戰，人們對永磁體制造方法產生了濃厚的興趣，激光熔覆和粘合劑噴射打印等技術都取得了一定的成功。然而，基于激光的方法有可能破壞良好磁性所需的微觀結構，而基于粘合劑噴射打印的技術則由于粘合劑存在而難以達到最佳性能。
冷噴涂原理圖（超卓航科原創）
冷噴涂技術為這些問題提供了潛在的解決方案，因為它在足夠低的溫度下沉積，可以避免微觀結構發生變化，同時由于撞擊粒子的高動能而實現高致密度的效果。King et al.、Lamarre以及Bernier使用傳統的冷噴涂系統沉積Nd2Fe14B-Al復合材料，保持了輸入粉末的性能，并提供了適合復雜幾何形狀的快速沉積技術。然而，鋁粘合劑的存在可能會造成性能的下降。氣溶膠沉積也被用于制造具有優異磁性能的Sm-Fe-N薄膜，但由于沉積速度相對較慢，最大厚度僅100微米左右。此外，氣溶膠沉積很難達到完全致密，從而導致與粘合劑方法存在類似的問題。冷噴涂Nd2Fe14B涂層的過程示意圖如圖1(a)、圖1(b)展示了冷噴涂在曲面銅管上沉積Nd2Fe14B涂層，圖1(c)展示了在氮氣、350℃條件下在玻璃基體上冷噴涂Nd2Fe14B涂層的厚度大于3毫米，圖1(d)展示了氮氣、475℃條件下在玻璃基體上沉積Nd2Fe14B涂層，圖1(e)為本研究中使用的Nd2Fe14B粉末顆粒的粒徑分布。結果表明，釹鐵硼材料可以通過冷噴涂的方法形成厚厚的材料層。
圖1（a）冷噴涂Nd2Fe14B涂層的過程示意圖,（b-d）冷噴涂Nd2Fe14B沉積物，(e)本研究中使用的Nd2Fe14B粉末顆粒的粒徑分布。
使用N2和He作為載氣噴涂的樣品在室溫下的磁滯回線如圖2所示：在所有情況下都明顯觀察到低矯頑力的形成，表明形成了純Fe等次生相，通過減小氣體速度和/或溫度可以在一定程度上改善這種現象。XRD圖譜顯示Fe峰的增加明確表明由于沖擊和加熱導致Nd2Fe14B的分解和Fe的形成。
圖2冷噴涂Nd2Fe14B涂層的磁化曲線和矯頑性。
該項研究表明，冷噴涂技術具有沉積脆性材料的可能性，且具有極大的設計靈活性和快速沉積的優勢，但仍需要進一步研究，以確保其功能特性，從而適用于應用。
【參考文獻】
A.A.Baker,R.C.Thuss,A.A.Maich,et al.Binder?free cold spray deposition of NdFeB permanent magnets,MRS Communications,2023,https://doi.org/10.1557/s43579-023-00382-x
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