综述-永磁材料

关键词关键词稀土永磁材料钕铁硼磁性能制备工艺Nd-Fe-B系稀土永磁材料的研究进展邓少杰合肥工业大学工业与装备技术研究院摘要钕铁硼磁体被称为第3代稀土永磁材料，是目前综合磁性能比较高的永磁材料。探讨了钕铁硼永磁材料的发展前景以及行业存在的问题，对钕铁硼永磁材料生产和应用现状进行了分析。概述了钕铁硼永磁材料的研究进展和应用领域，介绍了钕铁硼磁体的性能及先进制备工艺。纵观全文，钕铁硼永磁材料已进入一个崭新的发展阶段，应用前景广阔。1绪论永磁材料的定义永磁材料又称为硬磁材料，它是一种经过外加强磁场的磁化，再去掉外加磁场之后能长时期保留其较高的剩余磁性能，经受振动、温度等环境因素和不太强的外加磁场的干扰的强磁材料。又因为其具有高的矫顽力，能经受外加不太强的磁场的干扰，故又称硬磁材料。1.2钕铁硼系稀土永磁材料的现状及研究意义在钕铁硼刚开始生产应用之初，世界钕铁硼生产能力主要集中在日、美、中、欧等少数国家手中。其中，日、美在永磁的开发、生产和推广应用方面的技术一直处于世界前茅，同时也是最大的永磁消费市场，并形成了几家能力大、质量好、竞争力强的超大规模企业。目前，日本住友特殊金属公司、日本信越化学实业公司、TDK等在钕铁硼的销量上分居世界第一、二、三位，而中国的北京中科三环高技术股份有限公司与日本的TDK并列排在第三位。中国在20世纪80年代初开始从事稀土永磁材料的研究。目前，中国钕铁硼产业已经占全球近80%市场份额，是全球烧结钕铁硼磁体的产业中心。2010年，中国铁硼磁体产量已经超过世界总产量的80%。随着中国对稀土出口限制管理日趋严格，未来中国高性能钕铁硼永磁材料产量将继续扩大，占全球总产量比例有望继续提升。目前，中国钕铁硼永磁材料生产企业已达120多家，国内有5家企业的生产规模已近千吨。而上百吨生产规模的企业有20余家，但所产磁体大部分都是中低档产品，绝大多数应用在性能要求不高的领域。所以，中国烧结钕铁硼产量虽处于世界前列，但所得利润却很有限。从世界范围来看，高性能钕铁硼永磁体发展前景看好，市场竞争力也较强。永磁材料是一种重要的基础功能材料，它的基本功能是提供稳定持久的磁通量，不需要消耗电能，是节约能源的重要手段之一。同时永磁材料使器械和设备结构简单，制造成本和维修保养成本降低［1］。因此，永磁材料的应用面越来越广，应用量越来越大。当今，永磁材料按磁性能的高低，大致可分为2类。一是一般永磁材料，如铝镍钴、铁氧体，磁性能较低，但价格低；二是稀土永磁材料，如钐系磁体（如SmCo5）及钕系磁体（Nd-Fe-B）,磁性能较高，但价格贵［2］。随着电子器件的小型化、微型化的发展要求，高性能稀土永磁材料应用越来越广泛。钕铁硼的最大磁能积最高，由于不含贵重金属Sm和Co,价格较低，近年来发展迅速。也因为Nd-Fe-B系永磁材料的性能比传统的永磁材料的要高，称为创世界纪录的磁性材料。并且用金属铁代替稀土永磁一、二代所用的金属钴，以成本低、资源丰富的金属钕代替资源较少的稀土金属钐。再者永磁材料有矫顽力高、剩余磁感应强度高、最大磁能积高和稳定性高这四大优势。而随着当今世界的飞速发展的要求，永磁材料的研究就显得极为必然。也因钕铁硼是重要的金属功能材料，作为第三代稀土型永磁材料，由于其良好的磁性能被科技人员称为“磁王”，利用其能量的转换功能和磁的各种物理效应可制成多种样式的功能器件。钕铁硼磁性材料已被广泛应用于航空、航海、电子等众多领域，成为高科技、新兴产业与社会进步的重要物质基础之一。钕铁硼永磁材料的应用可以大大减小整机的体积和质量，如在磁盘上的应用，可以使磁盘驱动器微型化,而且性能更好。在音响器件中，钕铁广泛应用于微型扬声器、耳机及高档汽车的扬声器，大大提高了音响的保真度和信噪比。此外还可以应用于直流电机及核磁共振成像，特别是在磁悬浮列车上的应用不仅数量大,而且可以实现高速运输、安全可靠及噪声小等特点。综上所述，钕铁硼实属高科技新材料。2钕铁硼系稀土永磁材料的制备工艺目前我国研究的方法有粉末冶金法、熔体快淬法、还原扩散法、HDDR法、热变形法、双合金法与机械合金法等等。近些年来生产高性能稀土永磁材料常用的方法为快速凝固鳞片铸锭+氢破碎+气流粉碎及SC+HD+JM的工艺。以下是上述的常用或者重点方法的具体介绍。粉末冶金法目前我国主要用粉末冶金法（烧结法）生产这种磁体。其主要过程如下：原材料一预处理f配料f熔炼f破碎f细磨f混料f压型f烧结f热处理f机加工f电镀f充磁f检验f包装f入库［3］。合金成分及其微观组织最优化是高性能化烧结Nd-Fe-B永磁的关键。烧结钕铁硼磁体采用粉末冶金工艺，使得烧结磁体内部必然存在一定数目的气孔和缺陷，这在过去的研究中已经发现［4］。气孔和缺陷的存在，一方面使磁体的密度下降，连续性降低，容易产生应力集中；另一方面，气孔的存在使有效承载面积下降。这两方面均为造成材料塑韧性差的原因。熔体快淬法在Nd-Fe-B的制取工艺方面除了传统的粉末冶金工艺外，美国GM公司采用先进的快淬工艺技术制备快淬钕铁硼磁体。经对比实验发现，快淬钕铁磁体的矫顽力是普通烧结钕铁磁体的1.5—2倍，温度特性也得到了相应的改善该公司用快淬工艺研制出树脂粘合型Nd-Fe-B磁体，具有生产能力。HDDR法HDDR过程分为氢化、歧化、脱氢与重组合四个阶段。它是制备稀土金属间化合物磁性粉末的行之有效的方法。1989年，三菱公司的TTakeshita,Kkayama发现在相近温度下，对歧化物进行强制脱氢处理，歧化物再脱氢后重新形成细小的Nd2Fe14B相和少量的富Nd相，从而获得了具有高矫顽力的NdFeB磁粉。这四个过程简称为HDDR。脱氢、重合反应是前一个反应的逆反应，反应后的Nd2Fe14B相已经不是铸锭原来的粗大颗粒，而成为细小晶粒的集合体，由于吸氢时产生体积膨胀；很容易破碎成粉末［5,6］。多年来，三菱公司、伯明翰大学、爱知制钢和北京科技大学等企业、高等院校的研究小组对HDDR法制备各向异性粘结Nd-Fe-B磁粉、粘结Nd-Fe-B磁体，取得了显著进展。3钕铁硼系稀土永磁材料的性能及影响其因素3.1性能钕铁硼永磁材料的主要磁性能参量可分为2类：非结构敏感参量（即内禀参量），如居里温度Tc,主要由材料的化学成分和晶体结构来决定；结构敏感参量，如剩磁Br，最大磁能积Mmax和矫顽力Hcj，这些参量除与内禀参量有关外，还与材料的晶粒尺寸、晶粒取向、晶体缺陷等显微结构有关［7］。钕铁硼的居里温度低（312°C）,对温度极敏感，在受热时其剩磁、特别是内禀矫顽力下降很快，磁性温度系数很大，改善热稳定性的主要途径是合金化。矫顽力高的永磁材料具有较好的温度稳定性［8］。因此，永磁材料的矫顽力越高,可工作的环境温度也就越高。要使磁体的磁能积达到最大值，必须做到：烧结体的密度接近或达到材料的理论密度；尽可能减少非磁性相的体积分数；铁磁性相晶粒的取向度尽可能高。钕铁硼的稳定性包括3个内容：热稳定性；受外界磁场干扰的稳定性；时间稳定性［9］。钕铁硼永磁材料热稳定性，即其由于所处环境温度改变而产生的磁性能变化用材料的温度系数来表征。永磁材料的磁性能变化分为不可逆损失和可逆损失两部分：不可逆损失是指温度恢复到原来温度后永磁材料的磁性能不能恢复到原值，从而导致有的电机随着使用电气性能逐步下降［10］，应尽量避免；而可逆损失是难以避免的，在电机设计之初就必须充分考虑在稳定温升运行时必须达到的性能。随着钕铁硼永磁材料的发展，温度系数很小的永磁材料已经问世，可小到万分之一［11］。永磁体一般作为磁场源，在一定空隙内提供恒定的磁场。对于精密仪器仪表和磁性器件，要求在工作环境下，当外界条件变化时，磁体提供的磁场要稳定。与其他永磁材料相比，烧结钕铁硼永磁材料的稳定性要差很多，一般只能在小于100°C温度下工作，而高矫顽力系列的工作温度也不能超过150C，适用于200C以上的非常罕见。在永磁电机中，对永磁体的稳定性要求很高，磁能积要求却不是那么严格。目前，制约烧结钕铁硼永磁材料推广应用的关键问题就是其热稳定性，解决好这一问题有着非常重要的意义。3.2影响因素一是晶体结构；其晶体结构复杂，滑移系少。烧结Nd-Fe-B的晶体结构与密排六方晶格相似，同为层状堆垛结构，但其对称性远较密排六方晶格差，由此可以推断烧结Nd-Fe-B的滑移系较密排方六晶体的滑移系少，所以烧结钕铁硼塑韧性很差。二是磁晶各向异性导致力学性能各向异性；磁晶各向异性、形状各向异性和应力各向异性等基本现象在某些方向可以改善磁性材料的性能。由于磁性和弹性的相互耦合作用，必然会引起材料力学性能的各向异性，如单晶体的磁致伸缩各向异性、热膨胀各向异性和抗拉抗弯强度的各向异性等等［12］。因为在不同方向磁体的热膨胀不同，所以在降温过程中磁体内部会产生很大的内应力，这也是烧结Nd-Fe-B力学性能差的重要原因之一。三是晶界富钕相力学性能弱化；在烧结钕铁硼的显徽组织中，富Nd相主要呈薄层状沿晶界分布，而此种晶界富Nd相的硬度（HV）仅有262，远低于基体的硬度。研究表明：烧结钕铁硼本身晶界弱化，断裂方式主要为沿晶断裂，穿晶断裂比率在5%以上，而且在富钕相聚集较多的三叉晶界处，由于应力集中，会首先出现裂纹扩展发散点。四是磁体制备工艺—粉末冶金的烧结工艺；烧结钕铁硼磁体采用粉末冶金工艺，使得烧结磁体内部必然存在一定数目的气孔和缺陷，这在过去的研究中已经发现［4］。气孔和缺陷的存在，一方面使磁体的密度下降，连续性降低，容易产生应力集中；另一方面，气孔的存在使有效承载面积下降。这两方面均为造成材料塑韧性差的原因。4钕铁硼系稀土永磁材料的应用及发展前景4.1应用新材料开发的目的在于应用，但是一种新材料开发到应用往往需要经过一个相当长的时间，而当代永磁之王的稀土铁基永磁材料问世以来从未有过的高速度占领了永磁市场，到目前为止经过多年的商品化发展，已经证明它确实成为一个应用范围广、潜力大的极为重要的永磁材料。欧洲共同体委员会曾对稀土铁基永磁材料做过分析，在分析报告中指出：稀土铁基永磁材料不仅将作为与配件配套的现有各类磁体的替代者，而且在取代电磁与非电磁设计的器件的新市场中也将获得广泛应用。钕铁硼作为第三代稀土永磁材料，广泛应用于电机中。与传统电机相比，具有高效节能、质量轻、体积小、控制调速性好、可靠性强等特点，可广泛应用于风力发电、电动汽车、工业电机、家用电机等领域，其很高的性价比使得其应用领域还在不断拓展，因此近几年在科研、生产、应用方面都得到了持续高速发展。近年来由于钕铁硼永磁材料综合性能的进一步提升，钕铁硼磁体正在逐步替代其他磁性材料而成为主流磁性材料，应用领域不断扩展。在“节能、环保”的大背景及国家政策的鼓励下，风力发电、新能源汽车及节能家电等行业未来将迅猛发展。随着全球高性能永磁电机的逐步普及，高性能钕铁硼永磁材料需求量不断提高。4.2发展前景与展望中国的稀土永磁材料的发展着实令人振奋，也令世界瞩目。中国发展稀土永磁材料具有得天独厚的条件和国家的大力支持：中国的稀土产量和储量居世界第一，中国的稀土资源储量占了全世界的70%-80%，如中国的总设计师邓小平指示：“中东有石油，中国有稀土”。要将稀土的资源的优势变为经济优势必须作稀土精加工。稀土永磁材料则为稀土资源利用的精加工产品。中国科技部一直将此列为鼓励发展的高科技产品。每年均给予优惠政策、资致谢金支持。稀土永磁材料发展几十年来，已经从第一代稀土钴基发展到第三代稀土铁基材料，已成功地应用于电机、电脑、电声器材、医疗、工农、国防科技各领域，是现代科学技术发展的基础。稀土永磁材料逐渐由永磁材料家族的普通一员变成主体。21世纪将是稀土永磁材料大发展的世纪，也必是我们大展宏图之时。白驹过隙，转眼一个多月的论文写作课就此告一段落。在此期间，收获良多。在此对鲁颖炜老师、左如忠老师以及对此课做出贡献的老师们表以诚挚的谢意。感谢你们的授业、传道、解惑的师德参考文献1宋后定•永磁材料的应用[J].磁性材料及器件，2007(4)：65—67.2林河成•稀土永磁材料的进展[J].稀土，1994(3)：5—7.3钟俊辉•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