提高钐钴SmCo5永磁体晶面磁性性能的模拟方法

提高钐钴smco5永磁体晶面磁性性能的模拟方法
技术领域
1.本发明涉及磁性材料制备、性能预测领域。更具体地说，本发明涉及一种提高钐钴smco5永磁体晶面磁性性能的模拟方法。


背景技术：

2.钐钴永磁体其主要特点是磁性能高，温度性能好，其最高工作温度可达250-350摄氏度，与钕铁硼磁铁相比，钐钴磁铁更适合工作在高温环境中，故很适合用来制造各种高性能的永磁电机及工作环境十分复杂的应用产品。
3.但也由于这类产品特定的应用环境，故对于磁性能要求较高，而怎样提升钐钴smco5永磁体的磁性性能就成了该行业的研究目标，现行的方式中，通常是在实验时对钐钴smco5永磁体的配方进行选择后，通过试加工的方式产出特定构型的永磁体样件，再对样件进行磁性性能测验，但这种方式的效率低，试验周期过长，严重拖延了研发周期。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
5.为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种提高钐钴smco5永磁体晶面磁性性能的模拟方法，对于构建的多个钐钴smco5永磁体晶面结构，基于量子化学计算软件进行模拟，以确定能提高钐钴smco5永磁体磁性性能的晶面模型，进而判定所构建多个模型中磁性性能提升的最优解。
6.优选的是，所述量子化学计算软件被配置为采用基于密度泛函方法的从头算量子力学程序castep；
7.其中，采用castep构建模型的参数配置为：
8.钐sm的原子半径为：238pm，参与计算的钐原子的电子轨道为4f6、5s2、5p6、6s2，钴原子的电子轨道为3d7、4s2；
9.赝势采用castep的平面波超软赝势，平面波赝势ecut大小设置为420ev，自洽计算scf步数的最大设置为1000，收敛次数设置为1000次，scf计算的能量/原子收敛阈值为0.5e-06ev，真空层厚度取初始晶格参数：α＝β＝90
°
，γ＝120
°
；
10.能量优化算法采用拟牛顿法bfgs，总能量收敛阈值为：0.5e-05ev/atom；
11.布里渊区k点通过monkhorst-pack法产生，且k点设置使用最高精度的k点设置(3
×3×
4)；
12.计算类型采用castep的几何优化，且几何优化以及电子属性的计算中采用lda+u泛函进行对比分析。
13.优选的是，所述多个钐钴smco5永磁体晶面结构被配置为包括：多个钐钴smco5永磁体的固体表面模型及不同晶胞表面模型；
14.其中，在采用castep构建晶胞体系smco5时，其晶胞参数如下：
15.对于六方晶型的smco5晶体结构，其6个原子中的1个sm原子占1a晶位，2个sm原子占据2c晶位，3个co原子占据3g晶位，故在三轴坐标系中，3个不等价的晶位坐标分别对应为：sm(1a)晶位的原子坐标为(0,0,0)；co(2c)晶位的原子坐标为(1/3,2/3,0)和(2/3,1/3,0)；co(3g)晶位的原子坐标为(1/2,1/2,1/2)，(1/2,0,1/2)和(0,1/2,1/2)，且晶格常数为0)；co(3g)晶位的原子坐标为(1/2,1/2,1/2)，(1/2,0,1/2)和(0,1/2,1/2)，且晶格常数为c/a＝0.810；
16.因sm在18坐标几何结构中与18个co原子键合，且存在两个不等价的共位点，在第一个共位点中，co以9坐标几何结构键合到三个等效sm和六个等效co原子上，所有钴-钴键长度均为在第二个共位点中，co与四个等效sm和八个co原子键合，形成边、角和面共享cosm的混合物cosm4co8立方八面体，所有钴-钴键长度均为
17.优选的是，所述模拟过程被配置为包括：
18.步骤一，对于采用castep构建的多个钐钴smco5永磁体晶面结构，基于密度泛函理论进行计算，以得到最稳定的晶面结构构型；
19.步骤二，基于步骤一得到的晶面结构构型构建对应的超胞模型，通过设置相应的自旋参数进行对应的结构优化，以得到对应的磁性性能指标；
20.步骤三，基于对各磁性性能指标的比较，以得到不同晶面参数、不同构型体系下所对应的磁矩强度，择优选择具有最强磁矩的晶面参数、不同构型体系，以确定能提高磁性性能提升的晶面模型。
21.优选的是，所述磁性性能指标被配置为包括：
22.能反应晶面基本性质的能带、态密度、键布居；
23.能反应构型体系性质的磁矩强度、饱和磁化强度、homo，lumo。
24.本发明至少包括以下有益效果：本发明构建多个不同的钴smco5永磁体模型，通过采用软件对各模型进行计算，通过各模型的磁矩强度判断各模型对磁性性能提升的优劣性，进而得到提升性能的最优模型，有效减少了试验、试产、检验的过程，提升产品开发的效率。
25.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
26.图1为本发明提高钐钴smco5永磁体晶面磁性性能模拟方法的流程示意图；
27.图2为本发明smco5的6个晶面指数示意图；
28.图3为本发明smco5的模型示意图；
29.图4为本发明优化过程的能量收敛曲线示意图；
30.图5为本发明优化后各原子的编号示意图；
31.图6为本发明优化后各原子的态密度图；
32.图7为本发明低指数晶面(100)晶面模型；
33.图8为本发明低指数晶面(100)另一晶面模型；
34.图9为本发明低指数晶面(101)晶面模型；
35.图10为本发明低指数晶面(101)另一晶面模型。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
37.本发明通过成功构建多个钐钴smco5永磁体晶面的结构，进一步通过量子化学计算软件模拟，确定提高钐钴smco5永磁体磁性性能的晶面模型，用于发现所构建模型具有良好的磁性性能。
38.具体来说，本发明提供了一种提高钐钴smco5永磁体晶面磁性性能的模拟方法，包括：构建钐钴smco5永磁体固体表面模型及不同晶胞表面模型；进行密度泛函理论计算，确定最稳定晶面结构构型；构建该稳定低米勒指数晶面的超胞模型，设置正确的自旋参数(根据其铁磁性特点，设置模型中钐原子以及钴原子的ispin自旋数，自旋方向是up还是down等)，并进行分别结构优化(弛豫)，计算能带、态密度、键布居等基本性质以及体系的磁矩强度、饱和磁化强度、homo，lumo等性质，以根据不同晶面参数、不同构型体系下所对应的磁矩强度，择优选择具有最强磁矩的晶面参数、不同构型体系，以确定能提高磁性性能提升的晶面模型。
39.本发明所述计算软件采用castep开源软件包，构建模型参数为：钐(sm)的原子半径(计算)为：238pm；钐原子的电子排布式为:1s2、2s2、2p6、3s2、3p6、3d
10
、4s2、4p6、4d
10
、4f6、5s2、5p6、6s2；钴原子的电子排布式为:1s2、2s2、2p6、3s2、3p6、3d7、4s2。由于各种原子在化学反应中一般只是价层电子发生变化，内层电子和原子核是一个相对稳定不变的实体,因此，计算时各个原子的电子轨道一般内层电子不参与计算，本文计算中，参与计算的钐原子的电子轨道为4f6、5s2、5p6、6s2，钴原子的电子轨道为3d7、4s2。
40.赝势采用的都是castep的平面波超软赝势，能量优化算法采用拟牛顿法bfgs。布里渊区(brillouin zone)k点通过monkhorst-pack法产生。计算类型采用castep的几何优化，交换-关联泛函采用pbe泛函(perdew burke ernzerhof)，平面波赝势ecut大小设置为420ev，scf步数最大设置为1000，scf计算的能量/原子收敛阈值为:0.5e-06ev，优化方法采用bfgs，总能量收敛阈值：0.5e-05ev/atom。初始晶格参数：α＝β＝90
°
，γ＝120
°
。我们的计算的k点设置使用最高精度的k点设置(3
×3×
4)。自洽计算(scf)的收敛次数设置为1000次，真空层(vacuum slab)厚度都是取几何优化(geometry optimization)以及电子属性(properties)计算中采用lda+u泛函进行了对比分析。
41.计算建立的晶胞体系smco5其晶胞参数如下：
42.smco5的晶体结构属于cacu5型六方晶系，其空间群为p6/mmm。smco5单胞中有6个原子，其中1个sm原子占1a晶位，2个co原子占据2c晶位，3个co原子占据3g晶位。在三轴坐标系中，3个不等价的晶位坐标分别为：sm(1a)原子坐标为(0,0,0)；co(2c)位原子坐标为(1/3,2/3,0)和(2/3,1/3,0)；co(3g)位原子坐标为(1/2,1/2,1/2)，(1/2,0,1/2)和(0,1/2,1/2)，其晶格常数为c/a＝0.810
43.sm在18坐标几何结构中与18个co原子键合。共有六个短和十二个长
(3.18197)的sm
–
co键长度。存在两个不等价的共位点。在第一个共位点中，co以9坐标几何结构键合到三个等效sm和六个等效co原子上。所有钴-钴键长度均为在第二个共位点中，co与四个等效sm和八个co原子键合，形成边、角和面共享cosm的混合物cosm4co8立方八面体。所有钴-钴键长度均为
44.实施例：
45.由于本发明中smco5属于六方晶系，六角晶系晶面指数采用四轴定向的方法，其晶面指数示意图如图2所示，其余操作步骤如下所示：
46.1、建立smco5晶胞模型如图3所示，其中白色为钐原子，黑色为钴原子；
47.2、对建立好的smco5晶胞模型进行几何优化(geometry optimization)，钐原子的电子轨道为4f6、5s2、5p6、6s2，钴原子的电子轨道为3d7、4s2。赝势采用castep的平面波超软赝势，能量优化算法采用拟牛顿法bfgs。交换-关联泛函采用pbe泛函(perdew burke ernzerhof)，平面波赝势ecut大小设置为420ev，scf步数最大设置为1000，scf计算的能量/原子收敛阈值为：0.5e-06ev，优化方法采用bfgs，总能量收敛阈值：0.5e-05ev/atom。初始晶格参数：α＝β＝90
°
，γ＝120
°
。k点设置使用最高精度的k点设置(3
×3×
4)。自洽计算(scf)的收敛次数设置为1000次，其优化过程的能量收敛曲线如图4所示，优化后各原子的编号如图5所示，各原子的键布居(populations(mulliken))结果如表1、表2所示,态密度图如图6所示；
48.表1
49.speciesionspdftotalcharge(e)co10.740.807.690.009.23-0.23co20.740.807.690.009.23-0.23co30.710.847.690.009.23-0.23co40.710.847.690.009.23-0.23co50.710.847.690.009.23-0.23sm12.415.041.805.5814.831.17
50.表2
51.bondpopulationlength(a)co 2
‑‑
co 50.432.44598co 1
‑‑
co 50.432.44598co 1
‑‑
co 40.432.44598co 2
‑‑
co 40.432.44598co 1
‑‑
co 30.432.44598co 2
‑‑
co 30.432.44598co 3
‑‑
co 40.572.48399co 3
‑‑
co 50.572.48399co 2
‑‑
sm 1-1.222.86826co 2
‑‑
sm 1-1.222.86826co 1
‑‑
co 21.252.86827
52.3、对优化完成后的晶胞构建其中一个如图7-8所示的低指数晶面(100)晶面模型，以及如图9-10所示(101)晶面模型；
53.4、对以上建立的(100)以及(101)晶面模型进行优化；
54.5、对优化的(100)以及(101)晶面进行磁矩强度、饱和磁化强度计算；
55.6、分别从计算结果得到(100)晶面、(101)晶面模型磁性计算结果中spin density值，分别为sd_100,和sd_101；
56.7、对上一步计算得到的sd_100,和sd_101中更大的晶面模型作为能提高磁性性能提升的晶面模型，通过这种方法可以有效地将研究中设计的多个模型进行性能提升验证，得出几个方案中的最优方案，可以有效缩短研发周期。
57.以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
58.这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
59.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

技术特征：
1.一种提高钐钴smco5永磁体晶面磁性性能的模拟方法，其特征在于，对于构建的多个钐钴smco5永磁体晶面结构，基于量子化学计算软件进行模拟，以确定能提高钐钴smco5永磁体磁性性能的晶面模型，进而判定所构建多个模型中磁性性能提升的最优解。2.如权利要求1所述的提高钐钴smco5永磁体晶面磁性性能的模拟方法，其特征在于，所述量子化学计算软件被配置为采用基于密度泛函方法的从头算量子力学程序castep；其中，采用castep构建模型的参数配置为：钐sm的原子半径为238pm，参与计算的钐原子的电子轨道为4f6、5s2、5p6、6s2，钴原子的电子轨道为3d7、4s2；赝势采用castep的平面波超软赝势，平面波赝势ecut大小设置为420ev，自洽计算scf步数的最大设置为1000，收敛次数设置为1000次，scf计算的能量/原子收敛阈值为0.5e-06ev，真空层厚度取初始晶格参数：α＝β＝90
°
，γ＝120
°
；能量优化算法采用拟牛顿法bfgs，总能量收敛阈值为：0.5e-05ev/atom；布里渊区k点通过monkhorst-pack法产生，且k点设置使用最高精度的k点设置(3
×3×
4)；计算类型采用castep的几何优化，且几何优化以及电子属性的计算中采用lda+u泛函进行对比分析。3.如权利要求1所述的提高钐钴smco5永磁体晶面磁性性能的模拟方法，其特征在于，所述多个钐钴smco5永磁体晶面结构被配置为包括：多个钐钴smco5永磁体的固体表面模型及不同晶胞表面模型；其中，在采用castep构建晶胞体系smco5时，其晶胞参数如下：对于六方晶型的smco5晶体结构，其6个原子中的1个sm原子占1a晶位，2个sm原子占据2c晶位，3个co原子占据3g晶位，故在三轴坐标系中，3个不等价的晶位坐标分别对应为：sm(1a)晶位的原子坐标为(0,0,0)；co(2c)晶位的原子坐标为(1/3,2/3,0)和(2/3,1/3,0)；co(3g)晶位的原子坐标为(1/2,1/2,1/2)，(1/2,0,1/2)和(0,1/2,1/2)，且晶格常数为(3g)晶位的原子坐标为(1/2,1/2,1/2)，(1/2,0,1/2)和(0,1/2,1/2)，且晶格常数为c/a＝0.810；因sm在18坐标几何结构中与18个co原子键合，且存在两个不等价的共位点，在第一个共位点中，co以9坐标几何结构键合到三个等效sm和六个等效co原子上，所有钴-钴键长度均为在第二个共位点中，co与四个等效sm和八个co原子键合，形成边、角和面共享cosm的混合物cosm4co8立方八面体，所有钴-钴键长度均为4.如权利要求3所述的提高钐钴smco5永磁体晶面磁性性能的模拟方法，其特征在于，所述模拟过程被配置为包括：步骤一，对于采用castep构建的多个钐钴smco5永磁体晶面结构，基于密度泛函理论进行计算，以得到最稳定的晶面结构构型；步骤二，基于步骤一得到的晶面结构构型构建对应的超胞模型，通过设置相应的自旋参数进行对应的结构优化，以得到对应的磁性性能指标；步骤三，基于对各磁性性能指标的比较，以得到不同晶面参数、不同构型体系下所对应
的磁矩强度，择优选择具有最强磁矩的晶面参数、不同构型体系，以确定能提高磁性性能提升的晶面模型。5.如权利要求4所述的提高钐钴smco5永磁体晶面磁性性能的模拟方法，其特征在于，所述磁性性能指标被配置为包括：能反应晶面基本性质的能带、态密度、键布居；能反应构型体系性质的磁矩强度、饱和磁化强度、homo，lumo。

技术总结
本发明公开了一种提高钐钴SmCo5永磁体晶面磁性性能的模拟方法，对于构建的多个钐钴SmCo5永磁体晶面结构，基于量子化学计算软件进行模拟，以确定能提高钐钴SmCo5永磁体磁性性能的晶面模型，进而判定所构建多个模型中磁性性能提升的最优解。本发明提供一种提高钐钴SmCo5永磁体晶面磁性性能的模拟方法，通过采用软件对构建的多个不同的钴SmCo5永磁体模型进行计算，以通过各模型的磁矩强度判断各模型对磁性性能提升的优劣性，进而得到提升性能的最优模型，有效减少了试验、试产、检验的过程，提升产品开发的效率。提升产品开发的效率。提升产品开发的效率。


技术研发人员：竹文坤 何刚 何嵘 朱晓宇 袁涛
受保护的技术使用者：西南科技大学
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/20