稀土永磁材料论文

1、稀土永磁材料学 院：材 料 科 学 与 工 程 学 院专 业：金 属 材 料 科 学 与 工 程姓 名：黎 琦学 号：20100800411 稀土永磁材料摘要：本文主要从性能、原理、分类、应用和发展前景等几个方面客观介绍了稀土永磁材料-一种属于新能源材料的金属类结构材料。稀土永磁材料以其高剩磁、高矫顽力、高磁能积等优异的综合磁性能在通信交通医疗航空航天等领域得到了广泛应用，并且以新能源材料的方式开始了它在风力发电、电动汽车、工业节能电机等新能源领域的应用。在应用稀土的各个领域中，稀土永磁材料是发展速度最快的一个。它不仅给稀土产业的发展带来巨大的推动力，也对许多相关产业产生相当深远的影响。关键词

2、：永磁材料 稀土元素 新能源 微电子1引言稀土永磁材料是现在已知的综合性能最高的一种永磁材料，它比十九世纪使用的磁钢的磁性能高100多倍，比铁氧体、铝镍钴性能优越得多，比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍。由于稀土永磁材料的使用，不仅促进了永磁器件向小型化发展，提高了产品的性能，而且促使某些特殊器件的产生，所以稀土永磁材料一出现，立即引起各国的极大重视，发展极为迅速。我国研制生产的各种稀土永磁材料的性能已接近或达到国际先进水平。 现在稀土永磁材料已成为电子技术通讯中的重要材料，用在人造卫星，雷达等方面的行波管、环行器中以及微型电机、微型录音机、航空仪器、电子手表、地震仪和其它一些电子仪器上。目前稀

3、土永磁应用已渗透到汽车、家用电器、电子仪表、核磁共振成像仪、音响设备、微特电机、移动电话等方面。在医疗方面，运用稀土永磁材料进行“磁穴疗法”，使得疗效大为提高，从而促进了“磁穴疗法”的迅速推广。在应用稀土的各个领域中，稀土永磁材料是发展速度最快的一个。它不仅给稀土产业的发展带来巨大的推动力，也对许多相关产业产生相当深远的影响。2.稀土永磁材料2.1稀土永磁材料的定义 所谓稀土永磁材料是指将稀土金属（如钕、钐等）和过渡族金属（如铁、钴等）形成的合金经一定的工艺制成的永磁材料。稀土元素，是指由化学元素周期表中的镧系元素镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu

4、)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素钪(Sc)和钇(Y)共17种元素所组成的一类具有特殊性质的元素。稀土元素的原子具有比铁、钴、镍具有更多的未成对自旋电子，电子自旋产生的磁矩与电子轨道运动产生的磁矩加和起来，使稀土原子具有很高的原子磁矩。将这些稀土元素采用一定工艺制成磁性材料后，稀土原子在晶体中还可以构成无数个小区域，有外加磁场作用的条件下，在这些小区域内，原子按磁矩方向排列起来，形成磁畴。这便使稀土永磁材料具有很强的磁性，对人类有更大的利用价值和更广的使用范围。22稀土永磁材料的原理 物质

5、的磁性类型主要有顺磁性、反磁性和铁磁性等。物质分子中含有未成对电子时表现为顺磁性，顺磁性物质在外磁场中能产生一个附加的磁场，表现出较强的磁性，如铁氰化钾（赤血盐）K3Fe（CN）6、硫酸亚铁（FeSO4·H2O）等。而一些不含有未成对电子的物质，在外磁场作用下，产生一个与外磁场反向的小磁矩，故称为反磁性，如食盐（NaCl）、氧化钙（CaO）、亚铁氰化钾（黄血盐）K4Fe（CN）6等。还有一类物质，它们通常是金属或合金，属于铁磁性物质。铁磁性物质在磁场作用下，原子的磁矩趋于平行排列，产生一个大的磁矩，在物质内部形成一个很强的磁场，这类物质称为铁磁性物质。最熟悉的例子有铁、钴、镍以及它们

6、的合金等。永磁材料，就是指经过磁化以后，具有长期保持磁性的物质。1932年发现的钴铁氧体、钡铁氧体、锶铁氧体是最早使用的永磁材料。它们是以氧化铁为主要成分的复合氧化物。（MFe2O4，MCO2+、Ba2+、Sr2+、Mg2+），这些铁氧体在无外加磁场时，不显示磁性，但当外加磁场时，铁氧体被磁化，产生很强的磁性，在移去外磁场后，磁性仍可保留，故称永久磁铁，如Co0.75Fe2.25O4等。稀土原子具有比铁、钴、镍更多的未成对自旋电子，电子自旋产生的磁矩与电子轨道运动产生的磁矩加和起来，使稀土原子具有很高的原子磁矩，这些原子磁铁在晶体中还可以构成无数个小区域，在外磁场作用下，在这些小区域内原子按磁

7、矩方向排列起来，形成磁畴。这便大大加强了稀土合金材料的磁性。稀土永磁材料是将钐、钕混合稀土金属与过渡金属（如钴、铁等）组成的合金，用粉末冶金方法压型烧结，经磁场充磁后制得的一种磁性材料。2.3 稀土永磁材料分类2.3.1 稀土钴永磁材料包括稀土钴（1-5型）永磁材料SmCo5和稀土钴（2-17型）永磁材料Sm2Co17。钐钴磁体虽然拥有磁能积高、居里温度高（727）等优点，但钐属于比较短缺的稀土元素，无法在原料供应上有可靠的保证。2.3.2 稀土钕永磁材料NdFeB永磁材料，如钕铁硼（Nd2Fe14B）磁性材料，是一种磁能积比钐钴还要高的磁性物质。如以兆高奥为最大磁能积单位，则铁氧体为3.7，

8、钐钴为21.0，而烧结的Nd2Fe14B的额定值为37.0（实验室获得的数据是50.6）；并且Nd2Fe14B此题的拉伸和弯曲强度是钐钴磁体的2倍；同时，原料价格高于铁氧体，但低于钐钴，故有“铁磁王”的称号。2.3.3稀土铁氮（RE-Fe-N系）或稀土铁碳（RE-Fe-C系）永磁材料这种用磁性材料的最大磁能积（BH）max高于钕铁硼磁粉，大约2倍左右，因此技术优势较强。并且，该材料的成本相对于钕铁硼较低，原因是磁粉中稀土含量相对较少，同时无需掺杂钴等价格昂贵的金属。另外，该材料中的稀土成分可以使钕，也可以是钐，而市场中钐的价格要远低于钕。2.4 稀土永磁材料生产工艺 多年来，我国稀土永磁材料的

9、生产技术及装备水平获得了很快的提高和完善，对于永磁的质量和磁性能的提高较快，促进了应用发展，推进了永磁业高速进展。 ( 1 ) 烧结NaFeB 原用熔炼法(烧结法）专门生产烧结NaFeB,磁性能不高如（HB )m<35MGOe，仅用于一般的器件（如音响磁疗，磁选机和磁化防腊器等），后来改进用的低氧工艺生产，用纤维状熔铸锭条和氧爆法代替细磨粉，仅（HB）m 提高到50 MGOe，拓宽了产品的应用领域（如VCM 等）。近年来，我国已能用先进的速凝薄片工艺技术及一步成型工艺，使生产水平大为提高，永磁品性能提高为高端品级，也使原材料消耗猛降，生产成本下降40%-50%。因为原来的落后工艺必经机械

10、加工，使成品率仅达70%左右，如用一步法（直接压制成型工艺，可生产成瓦形、环形和扇形磁体）工艺后，工艺简便，磁坯密度高为5.59g/cm3，产品成品率很高（90%以上），使产品成本下降一半。如上烧法NdFeB 生产技术及设备的快速进步，不但产量猛增，磁性能提高，有力地推进磁业的向前发展。 （2）粘结NdFeB 用熔体快淬法制得磁粉可生产各向同性粘结NdFeB 永磁体（MQI），（BH）m=140KJ/m3（17.5MGOe）。以制得各向同性热压永磁体（MQZ），（BH）m=119KJ/m3（15 MGOe）。它们的工艺及设备均达到产业化的生产水平。近年来，采用热挤压技术可生产各向异性辐向磁环N

11、dFeB 磁体，获得高的磁能积为（BH）m=400KJ/m3（50 MGOe），利于开拓应用发展。用HDDR 法制粉后可生产各向同性及各向异性的粘结NdFeB 永磁体，并已达到工业化产业化的生产水平。如将磁粉以压制型及注射成型所得各向异性粘结NdFeB 永磁体（MFP13）的磁能积（BH）m=310KJ/m3（38 MGOe）和（MFP14）的（BH）m=253KJ/m3（33 MGOe），如上的工艺技术的提高，使粘结NdFeB 永磁体推向新的发展阶段。我国在这方面的技术及役备的改进，有力地促进了我国粘结NdFeB 磁体的新进展。 （3）SmCo5 永磁体 2000 年以前，我国多用还原扩散法

12、（烧结法）生产SmCo5 永磁体，（ BH ） m=250-279KJ/m3（31-35MGQe），而Sm2Co17 永磁体的（BH）m=223-263KJ/m3 （28-33MGOe）， 又可生产Sm（Co,Cu,Fe,ZR）Z的（BH）m=264KJ/m3（33MGOe），如上永磁体我国都达到工业化生产水平，推动了工业部门的应用需求。此外，我国已研制成功的粘结法可制备SmCo5永磁体，这种新技术为：快冷厚带工艺技术生产粘结SmCo5 磁体。目前已可达到工业化水平。制得粘结SmCo5 的产品的（ BH ） m=239-269KJ/m3（30-35MGoe），这可开拓SmCo5 产品新应用领域

13、，利于此磁体向前发展。 （4）SmFeN 永磁体 在SmFeN 中有Sm2Fe7Nx 和SmFe7Nx 两种主要的金属间化合物。因为它们在较高温度下易分解，所以不能采用烧结法制备这类磁体。仅可采取粘结法生产SmFeN 磁体。目前，用熔体快淬法及HDDR法生产各向同性Sm2Fe7Nx 磁粉，以压制成型技术可制得粘结Sm2Fe7Nx 磁粉，（ BH ）m=123KJ/m3（15MGOe）。用铸锭破碎法和还原扩散法可制成各向异性Sm2FenNx 磁粉，以压制成型工艺制成各向异性粘结Sm2FenNx 永磁体，（BH）m=100-160KJ/m3（12-20MGOe）也可用挤压成型及注射成型技术生产这种

14、磁体。前者（ BH ） m=50-68KJ/m3（6.2-8.5MGOe），而后者（BH）m=84-103KJ/m3（10.4-13MGOe）。目前我国已建成了一条生产粘结SmFeN 生产线，并实现了工业化生产，已走在外国人的前面，生产工艺技术及装备逐步处于完善的阶段，这为我国开拓新产品应用提供了自主产权的范例！也促进了我国永磁业的新发展。 （5）纳米晶复合永磁体 近年来，我国已能研制纳米晶复合永磁体，具有较高矫顽力，并可进行工业化生产。这种磁体是以硬磁性Nd2Fe14B 相及软磁性-Fe 相为原料，用快淬法制成的其晶粒为20nm，具有高剩磁和高矫顽力，（BH）m=203KJ/m3（25MGO

15、e），Br=0.95-1.2T(9.5-12KOe)，比快淬单相SmFeN 高出10-20%，但Nd2Fe14B/-Fe 的矫顽力极高达Hcj=8000KA/m(100KOe)。因此磁体的磁性能较好，成本较低，用户爱用，市场销路广阔，主要适用于制小马达。这种新磁体的工艺技术及设备丰富了我国永磁业的领域，促进整个永磁材料的发展。 （6）永磁体表面处理技术 因烧结NdFeB 表面不均匀及孔隙多，易氧化和化学性不稳定。在潮湿空气及水溶液中使用时易被氧化腐蚀。多年来用电镀，电泳，离子（分子）涂层于表面处理技术，其效果不理想。近年研究了称为“SEN”的复合表面处理新技术，在实践中的效果很好。该法是用金属

16、和非金属的多种元素制成溶液后，升温和调控工艺参数。将NdFeB 元件浸入溶液中，使元件表面生成一层合金涂层（保护膜），以防止元件表面受腐蚀，其技术和经济效果较好，已在推广中。近年我国又研成了永磁体表面处理的超声波化学镀膜防护新技术。根据NdFeB 永磁表面呈多相多孔的特性，在真空条件下对永磁进行超声除油和表面封孔预处理，以改善磁基体表面性质。然后用超声波化学镀膜法，使磁基体与镀层之间形成强力的结合作用，免除了磁表面的孔隙而起着防护作用。该技术具有独创性的世界先进水平，提高了产品的国际竞争力。目前技术在产业化的应用之中，已获得了较好的技术及经济效果。 （7）新型的粘结剂 粘结永磁体的粘结剂是磁品

17、的重要组分之一，也是磁体的连续相。在磁体中可提高颗粒流动性，结合力，机械性和耐蚀性。因此，研制新型粘结剂极为重要。近年我国已研成一种磁体专用树脂BM-2C 的新型粘结剂，对于生产更好的粘结NdFeB磁体具有极重要的作用和条件。该粘结剂适用于湿法和干法进行永磁粉的混合粘结较好，已在一些永磁厂批量生产中使用，技术及经济效果较好，提高磁品的竞争力。3. 稀土永磁材料在新能源领域的应用3.1 风力发电风能是一种清洁的永续能源，与传统能源相比，风力发电不依赖矿物能源，没有燃料价格风险，发电成本稳定，也没有包括碳排放等环境成本。此外，可利用的风能在全球范围内分布都很广泛。正是因为有这些独特的优势，风力发电

18、逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分，发展迅速。根据全球风能理事会的统计，全球的风力发电产业正以惊人的速度增长，过去10年平均年增长率达到28，全球安装总量达到了9385万千瓦(万kW)。中国政府将风力发电作为改善能源结构、应对气候变化和能源安全问题的主要替代能源技术之一，给予了有力的扶持。制定了风电设备国产化相关政策，并辅以“风电特许权招标”等措施，推动技术创新、市场培育和产业化发展。2007年，我国风电装机新增3304万千瓦，增长147，累计装机容量达到5912万千瓦，增长127，双双创下历史新高，并提前3年实现国家发改委2010年的规划目标。1997至2007年10年间，我国风电

19、行业装机容量从1457万千瓦增长到5912万千瓦，增长近37倍，近3年年均成长速度70，远远高于世界主要发达国家年均30的平均水平。目前，风电机组三种主要技术类型中，“直驱永磁式风电机组”是近几年发展起来的先进技术，具有效率高、寿命长、稳定性高、结构简单等一系列优点，是未来风电技术的发展方向。而直驱永磁式风电机组需大量使用钕铁硼永磁材料。根据国家发改委的发展规划预计，2020年我国风电装机容量将达30004000万kW。作为2008年“绿色奥运”工程之一，采用金风科技15MW永磁直驱风力发电机组的“北京官厅风电场”一期33座巨型风车已投入运行。自3月10日整体并网发电以来保持了较高的运行效率，

20、截至6月30日，共累计发电3487万千瓦时。2008年6月，在官厅风电场一期工程建设的基础上，二期扩建lO台15MW机组，为取得更好的机组性能，机组叶轮直径由77米增加到82米，目前该项目已安装完成9台。据风电专家介绍，2007年，全球新增风电装机容量约2000万kW，其中采用直驱永磁风电机组的比例还较小。不超过200万kW，约占全球新增风电装机容量的10。2008年，我国计划新增风电装机容量约为400万kW，其中直驱永磁式风电机组装机容量约150万kW，约占40，需要使用烧结钕铁硼1500吨左右。新增的直驱永磁式风电机组中，国内风电整机龙头企业金风科技的装机计划超过100万kW，占60以上。

21、3.2电动汽车和自行车随着油价的大幅攀升，各个汽车企业对于电动汽车的开发热潮也是一浪高过一浪。在全球市场范围内。混合动力车型的生产和销售已经颇具规模。面对这种情况，汽车厂商也一直在进行电动汽车的开发，但是这些车型由于成本太高或技术还不成熟没能量产。因此，目前最理想的解决方案就是混合动力车型，从世界上第一款量产型混合动力车型问世以来，已经走过了11个年头；相比之下在技术上已经非常的成熟了。虽然到目前为止，混合动力车型在全球汽车市场上的销售比例仅有l左右，但是来自美国著名的资讯公司毕马威发布了一份针对汽车企业高管的调查报告显示，83的受访者认为，未来5年内最流行的轿车将是混合动力车型。国内也出台了

22、相关的政策来鼓励生产环保节能的车型。新能源汽车正式进入了发改委的鼓励产业目录，其中包括了混合动力汽车等在内的电动汽车。国家将对这些产业从消费环节、生产环节，税收政策、优惠政策、审批等各方面给予扶持。对于现阶段来说混合动力车型是比较理想的节能减排车型，据最新国内媒体报道，国家相关部委将在今年下半年率先出台购买混合动力汽车全免购置税的政策。进一步推动混合动力汽车市场发展。为实现2008北京奥运“绿色奥运、人文奥运、科技奥运”三大理念，科技部、北京市联合有关部门在2001年北京申奥成功后，启动实施了“奥运科技(2008)行动计划”。其中，大规模应用我国自主研发生产的节能与新能源汽车，为北京奥运交通提

23、供绿色运输服务是该计划的重要组成部分。北京奥运会和残奥会期间，将有500辆新能源汽车投入使用。其中包括由东风汽车公司和一汽集团研发生产的25辆混合动力客车在奥运公交专线上运营；由奇瑞、长安、一汽集团等企业研发生产的75辆混合动力轿车编入出租车队运营；在奥运场馆间还将有320余辆纯电动场地车服务。混合动力车的发电机采用永磁同步电机，每台电机需使用烧结钕铁硼磁体23公斤，2007年世界混合动力车产量不到100万辆。不到100万辆混合动力汽车相对于传统汽车行业年产量7000多万辆的比例是微不足道的，未来的混合动力车等电动汽车的发展空间无疑是巨大的，那么未来钕铁硼磁体的需求量无疑也是巨大的。而自行车是

24、我国的传统支柱产业之一，随着人民生活水平的提高和环保意识的增强，近年对电动自行车的需求越来越大。据中国助力车专业委员会不完全统计我国的电动自行车从研制开发到1997年的小批量投放市场至现在，其生产和销售呈逐年大幅增长的势头，1998年产量为545万辆，2006年产量已超过1000万辆。以每辆电动自行车平均需要O3公斤烧结钕铁硼计算，年需用磁体3000吨(折合成毛坯近6000吨)。3.3 工业节能电机工业电机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。据统计，我国工业电机耗电约占工业用电总量的60%-70%。实际应用中，我国电机的整体运行状况佟国外相比差距很大，机组效率约为75%，比国外低10%

25、左右；系统运行效率为30%-40%，比国际先进水平低20%-30%。电机作为一种量大面广的用能设备，即使电机效率提高一个很小的幅度，也可以带来巨大的节能量。因此，我国的电机应用具有极大的节能潜力，推行电机节能势在必行。改革开放20多年来，我国在能源利用上取得“GDP翻两番而能源消费仅翻一番”的成就。但是，与发达国家相比，我国电力能源利用效率仍然较低，尤其是工业用电设别电能消耗高，浪费情况较为严重。大量的工业设备多采用交流电动机恒速传动的方案运行，导致交流电动机效率普遍较低。风机、泵类设备也多采用调节风门和阀门的办法来调节流量，这种调节方法虽然简单易行，但它是以耗费大能量为代价；在工业缝纫机、机

26、械加工设备中，往往采用离合器、摩擦片调节速度，造成大量的待机损耗和制动能耗。中国正积极准备电动机能效标准的实施，以强制性的能效标准管理制度和自愿性产品认证规范电动机市场。稀土永磁体具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积的优异磁性能，用它制成各种电机产品，具有高性能、轻型化、高效节能等特点，在节能电机领域的应用潜力巨大。近年来，我国已经在一些领域推广稀土永磁节能电机，例如油田中“磕头机”的电机，钢铁企业中的大型电机等。随着性能的提高和驱动、控制系统的完善，以及成本的降低，稀土永磁节能电机将越来越多地替代传统工业电机，应用前景十分看好。3.4微特电机 在美国、日本和西欧等发达国家，稀土永磁材料在电机中

27、的应用已占稀土永磁总销售额的60以上。且各国的国情不同，稀土永磁在电机中的应用情况不尽相同。日本在V伽中的应用量占稀土永磁的50左右，美国则在航空、航天、军工、汽车和机床等领域电机中的用量最大，欧洲则在数控机床中应用最多。微电机种类繁多，包括信息处理设备用电机，视听设备用电机，家用电器用电机、车辆用电机、机器人用电机、游戏机用电机、美容电器产品用电机、保健电器产品用电机、厨卫电器产品用电机等，除了上述应用领域外，微电机还大量应用在小孩玩具、老年玩具以及工业自动化、农业现代化、军事装置现代化等领域。其需要量也相当之大。可以预计，今后微电机市场是呈持续稳定发展趋势，微电机应用领域会越来越广，微电机

28、需求量会越来越多。2006年，我国生产稀土永磁电机3700余万台，其中大中型节能电机5万台。3.5节能环保家电在能源日趋紧张的今天，节能减排已经成为全世界高度关注的问题，国务院更是把节能减排作为近年来宏观调控的重点，将其列为国家环保“十一五”规划中政绩考核的重要内容，家电产品的能耗问题因此被提到了行业发展的重要位置。目前，在家电领域，能效要求更高的空调、冰箱、冷柜新的能效标准已经出台或正在修订中，新型节能环保家电也越来越多的得到人们的关注。越来越多的家电产品进入能效等级管理产品目录，节能成为家电产品永恒的追求。例如，空调最为家庭用电的主要设备之一，传统的“定频空调器”由于其运行效率低下正逐渐被新一代具有节能、温度调节平稳和运行噪声低等一系列优点的“变频空调器”所取代。变频器以该百年输出电源频率的方式，来控制压缩机、风扇电机的转速，达到调节制冷量的目的。因此变频式空调不是靠频繁开停机方式控制室温，而是以恒温的低频率长时间运转保持室温恒定。2007年，全球产销空调数量近9000万台，其中约15%采用了永磁变频压缩机，日本变频电机使用占90%，欧美占25%，中国不到10%，随着变频空调的逐渐普及，相关永磁直流电机和铷铁硼磁体的使用量将会越来越多，市场容量巨大。如果按照未来3-5年，变频空调占空调总量比例增至30%-50%测算，则每年需使用该类铷