提高掺杂PrCo5镨钴永磁体体系性能的预测方法

提高掺杂prco5镨钴永磁体体系性能的预测方法
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掺杂prco5镨钴永磁体体系性能的预测方法。


背景技术：

2.稀土元素是17种特殊的元素的统称，它的得名是因为瑞典科学家在提取稀土元素时应用了稀土化合物，所以得名稀土元素。稀土元素是周期系ⅲb族中原子序数为21、39和57～71的17种化学元素的统称。稀土元素共有17个，分别是钪(scandium,sc)、钇(yttrium,y)、镧(lanthanum,la)、铈(cerium,ce)、镨(praseodymium,pr)、钕(neodymium,nd)、钷(promethium,pm)、钐(samarium,sm)、铕(europium,eu)、钆(gadolinium,gd)、铽(terbium,tb)、镝(dysprosium,dy)、钬(holmium,ho)、铒(erbium,er)、铥(thulium,tm)、镱(ytterbium,yb)以及镥(lutetium,lu)。
3.研究表明，永磁体是稀土元素的一个主要应用场景。而17种稀土元素中，用于制造永磁体的元素包括钐、钕、镨、铽和镝等元素。不同的稀土元素在永磁体中掺杂主要用于提高永磁体高温时的矫顽场强、永磁体的磁矩强度、饱和磁化强度等。同样的掺杂元素(如将钆元素替位掺杂镨钴永磁体中的镨元素)，不同的掺杂比例，其对于永磁体性能的影响不同，为了找到提高掺杂prco5镨钴永磁体体系性能的优化掺杂体系及参数，往往需要大量的试验，试验的时间成本、经济成本等较高。


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，提供了一种提高掺杂prco5镨钴永磁体体系性能的预测方法，构建多个掺杂prco5镨钴永磁体的结构体系模型，基于量子化学计算软件对结构体系模型进行预测计算，以确定能提高掺杂prco5镨钴永磁体体系性能的掺杂体系，进而判定所构建多个结构体系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.钴co的原子半径为152pm，参与计算的钴原子的电子轨道为3d7、4s2，
9.镨pr的原子半径为247pm，参与计算的镨原子的电子轨道为4f3、5s2、5p6、6s2，参与计算的钆原子的电子轨道为4f7、5d1、6s2，参与计算的铒原子的电子轨道为4f
12
、6s2；
10.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
°
；
11.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；
12.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)；
13.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gga+u泛函进行对比分析。
14.优选的是，所述结构体系模型的构建过程被配置为包括：
15.步骤一，采用castep构建prco5镨钴永磁体固体表面模型及不同晶胞表面模型，基于密度泛函理论进行计算，以得到最稳定的体系结构构型；
16.步骤二，在体系结构构型中按不同比例掺杂预定的相同稀土元素或按相同比例掺杂预定的不同稀土元素，以构建多个掺杂prco5镨钴永磁体的结构体系模型。
17.优选的是，所述预测计算过程被配置为包括：
18.步骤三，基于不同掺杂方式的结构体系模型构建对应的晶胞模型及低米勒指数晶面模型，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；
19.步骤四，基于对各磁性性能指标的比较，以得到不同掺杂参数所对应的磁矩强度，择优选择具有最强磁矩的结构体系模型，以确定能提高磁性性能提升的掺杂体系。
20.优选的是，在采用castep构建晶胞模型prco5时，其晶胞参数如下：
21.晶格常数为α＝β＝90
°
，γ＝120
°
；
22.因pr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co位中，pro以9坐标几何结构键合到三个等效pr和六个等效co原子上，所有钴-钴键长度均为在第二个共位中，co与四个等效pr和八个co原子键合，形成边、角和面共享copr的混合物copr4co8立方八面体，所有钴-钴键长度均为
23.优选的是，所述磁性性能指标被配置为包括：
24.能反应晶面基本性质的能带、态密度、键布居；
25.能反应构型体系性质的磁矩强度、饱和磁化强度、homo，lumo
26.本发明至少包括以下有益效果：本发明构建多个建掺杂镨钴永磁体的结构，并采用软件对各结构模型进行计算，通过各模型的磁矩强度判断各掺杂模型对磁性性能提升的优劣性，进而得到提升性能的最优掺杂模型，有效减少了试验、试产、检验的过程，提升产品开发的效率。
27.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
28.图1为本发明预测流程原理框图；
29.图2为本发明的预测流程示意图；
30.图3为本发明构建的镨钴永磁体prco5晶胞示意图；
31.图4为本发明进行结构参数优化的优化过程曲线示意图；
32.图5为本发明优化后的态密度示意图。
具体实施方式
33.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。
34.本发明通过构建掺杂镨钴永磁体的结构，通过量子化学计算软件模拟，确定提高掺杂镨钴永磁体磁性性能的掺杂体系，并可以发现所构建模型具有良好的磁性性能。
35.具体来说，如图1-2所示，本发明提供了一种提高掺杂prco5镨钴永磁体体系性能的预测方法，包括：
36.构建prco5镨钴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，确定最稳定体系结构构型；
37.构建钆、铒等重稀土元素掺杂构型，在体系结构构型中按不同比例掺杂预定的相同稀土元素或按相同比例掺杂预定的不同稀土元素，由于间隙掺杂体系的稳定性一般比替位掺杂体系稳定性要差，本发明所指的掺杂是将钆或者铒元素采用替位掺杂而不是间隙掺杂的方式，构建多个掺杂prco5镨钴永磁体的结构体系模型；
38.构建不同掺杂(掺杂元素是钆还是铒，掺杂比例从0％到100％之间设置)构型晶胞模型，设置正确的自旋参数(根据其铁磁性特点，设置模型中镨原子、钆原子、铒原子以及钴原子的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等性质构建多个建掺杂镨钴永磁体的结构，并通过采用软件对各结构模型进行计算，通过各模型的磁矩强度判断各掺杂模型对磁性性能提升的优劣性，进而得到提升性能的最优掺杂元素和/或掺杂比例，完成对最优掺杂体系的预测。
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：钴(co)的原子半径(计算)为152pm；镨(pr)的原子半径(计算)为247pm，钴原子的电子排布式为：1s2、2s2、2p6、3s2、3p6、3d7、4s2，镨原子的电子排布式为：1s2、2s2、2p6、3s2、3p6、4s2、3d
10
、4p6、5s2、4d
10
、5p6、6s2、4f3。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，参与计算的钴原子的电子轨道为3d7、4s2，镨原子的电子轨道为4f3、5s2、5p6、6s2，钆(ga)原子的电子轨道为4f7、5d1、6s2，铒(er)原子的电子轨道为4f
12
、6s2。
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(brillouinzone)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prco5其晶胞参数如下：
42.α＝β＝90
°
，γ＝120
°
；
43.pr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pr
–
co键长度。存在两个不等价的共位点。在第一个co位中，pro以9坐标几何结构键合到三个等效pr和六个等效co原子上。所有钴-钴键长度均为在第二个共位中，co与四个等效pr和八个co原子键合，形成边、角和面共享copr的混合物copr4co8立方八面体。所有钴-钴键长度均为
44.实施例：
45.1.建立镨钴永磁体prco5晶胞示意图如图3所示,其中白色为镨原子，黑色为钴原子；
46.2.对建立好的镨钴永磁体prco5模型进行结构参数优化(geometry optimization)，采用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点设置为(3
×3×
4)。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：05ev/atom。初始晶格参数：α＝β＝90
°
，γ＝120
°
。自洽计算(scf)的收敛次数设置为1000次，真空层(vacuum slab)厚度都是取计算中采用的钴(co)原子电子轨道参数为：3d7 4s2，镨原子(pr)电子轨道参数为：4f3 5s2 5p6 6s2
47.结构参数优化(geometry optimization)优化过程曲线如图4所示，优化后原子的键布居(populations(mulliken))结果如表1-2所示：
48.表1
49.speciesionspdftotalcharge(e)co10.800.797.690.009.29-0.29co20.800.797.700.009.29-0.29co30.760.867.690.009.31-0.31co40.760.867.690.009.31-0.31co50.760.867.690.009.31-0.31pr12.524.352.282.3511.491.51
50.表2
51.bondpopulationlength(a)co 1
‑‑
co 40.492.41866co 2
‑‑
co 50.492.41866co 2
‑‑
co 30.492.41867co 1
‑‑
co 30.492.41867co 2
‑‑
co 40.492.41867co 1
‑‑
co 50.492.41868co 3
‑‑
co 40.652.43162co 4
‑‑
co 50.662.43162
co 3
‑‑
co 50.662.43165co 2
‑‑
pr 1-1.602.80778co 1
‑‑
pr 1-1.602.80778co 1
‑‑
co 21.392.80780
52.可以看出，优化后的结构整体键布居co-co键更大，co-pr键相对要小些，其态密度图结果如图5所示；
53.3、对优化完成后的晶胞分别采用钆元素及铒元素进行替位掺杂，掺杂比例设置为5％；
54.4、对以上建立的钆元素掺杂以及铒元素掺杂模型进行优化；
55.5、对优化的钆元素掺杂以及铒元素掺杂模型进行磁矩强度、饱和磁化强度计算；
56.6、分别从计算结果得到钆元素掺杂以及铒元素掺杂10％时的结果中spin density值，分别为sd_ga_5,和sd_er_5；
57.7、对上一步计算得到的sd_ga_5,和sd_er_5中更大的掺杂模型作为能提高磁性性能提升的晶面模型，按照掺杂比例5％为步长，分别计算掺杂10％，15％，
…
，95％的体系性能，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。
58.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。
59.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。
60.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：
1.一种提高掺杂prco5镨钴永磁体体系性能的预测方法，其特征在于，构建多个掺杂prco5镨钴永磁体的结构体系模型，基于量子化学计算软件对结构体系模型进行预测计算，以确定能提高掺杂prco5镨钴永磁体体系性能的掺杂体系，进而对所构建多个结构体系模型中磁性性能提升的最优解。2.如权利要求1所述的提高掺杂prco5镨钴永磁体体系性能的预测方法，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：钴co的原子半径为152pm，参与计算的钴原子的电子轨道为3d7、4s2，镨pr的原子半径为247pm，参与计算的镨原子的电子轨道为4f3、5s2、5p6、6s2，参与计算的钆原子的电子轨道为4f7、5d1、6s2，参与计算的铒原子的电子轨道为4f
12
、6s2；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gga+u泛函进行对比分析。3.如权利要求1所述的提高掺杂prco5镨钴永磁体体系性能的预测方法，其特征在于，所述结构体系模型的构建过程被配置为包括：步骤一，采用castep构建prco5镨钴永磁体固体表面模型及不同晶胞表面模型，基于密度泛函理论进行计算，以得到最稳定的体系结构构型；步骤二，在体系结构构型中按不同比例掺杂预定的相同稀土元素或按相同比例掺杂预定的不同稀土元素，以构建多个掺杂prco5镨钴永磁体的结构体系模型。4.如权利要求3所述的提高掺杂prco5镨钴永磁体体系性能的预测方法，其特征在于，所述预测计算过程被配置为包括：步骤三，基于不同掺杂方式的结构体系模型构建对应的晶胞模型及低米勒指数晶面模型，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；步骤四，基于对各磁性性能指标的比较，以得到不同掺杂参数所对应的磁矩强度，择优选择具有最强磁矩的结构体系模型，以确定能提高磁性性能提升的掺杂体系。5.如权利要求4所述的提高掺杂prco5镨钴永磁体体系性能的预测方法，其特征在于，在采用castep构建晶胞模型prco5时，其晶胞参数如下：晶格常数为α＝β＝90
°
，γ＝120
°
；因pr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co位中，pro以9坐标几何结构键合到三个等效pr和六个等效co原子上，所有钴-钴键长度均为在第二个共位中，co与四个等效pr和八个co原子键合，形成边、角和面共享copr
的混合物copr4co8立方八面体，所有钴-钴键长度均为6.如权利要求4所述的提高掺杂prco5镨钴永磁体体系性能的预测方法，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掺杂PrCo5镨钴永磁体体系性能的预测方法，构建多个掺杂PrCo5镨钴永磁体的结构体系模型，基于量子化学计算软件对结构体系模型进行预测计算，以确定能提高掺杂PrCo5镨钴永磁体体系性能的掺杂体系，进而对所构建多个结构体系模型中磁性性能提升的最优解。本发明提供一种提高掺杂PrCo5镨钴永磁体体系性能的预测方法，通过构建多个建掺杂镨钴永磁体的结构，并采用软件对各结构模型进行计算，以通过各模型的磁矩强度判断各掺杂模型对磁性性能提升的优劣性，进而得到提升性能的最优掺杂模型，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：何刚 竹文坤 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：2023/8/1