稀土永磁材料的研究与应用

稀土永磁材料的研究与应用
杨玉梅/文
【摘要】作为稀土最重要的应用领域之一，稀土永磁材料是支撑现代社会的重要基础功能材料。

近年来，稀土永磁材料发展迅速，已经成为新一代的高效环保材料，被广泛应用于多种领域中，如
信息通讯、消费电子、节能家电、风力发电、新能源汽车、人工智能及航空航天等许多领域，已经
成为生产和生活中不可或缺的重要功能材料。

本文将着重探讨稀土永磁材料的技术研究与其产业化
应用。

【关键词】稀土永磁材料；研究；应用
稀土永磁材料应用日益广泛，已成为现代文明社会发展水平的重要标志，对于“中国制造2025”的成功实施，起到重要支撑作用。

在目前已探明的稀土储量中，我国
储量居世界第一，号称稀土王国。

这为
今后我国大力发展稀土永磁产业打下了
坚实的基础。

稀土永磁材料的出现对推动工业进
步，特别是电机工业、办公自动化等起
到了积极的作用。

[1]
1.稀土永磁材料的发展
稀土永磁材料是一类以稀土金属元素RE（Sm、Nd、Pr等）和过渡族金属元素TM（Fe、Co等）所形成的金属间化合物为基础的永磁材料，利用稀土-过渡族金属间化合物发展的稀土永磁材料具有优异的永磁性能，是当前矫顽力最高、磁能积最大的一类永磁材料。

[2]
20世纪40年代末出现了AlNiCo 永磁，50年代诞生了铁氧体永磁，60
年代研制出了第一代稀土永磁SmCo
5
，
70年代开发成功第二代稀土永磁
Sm
2
Co
17
，1983年日本住友特殊金属的
佐川真人和美国通用汽车公司各自研发
出钕铁硼永磁NdFeB，为第三代稀土
永磁材料。

第三代稀土永磁材料-钕铁硼
（NdFeB）永磁材料因其优异的综合磁
性能，广泛应用于计算机、通讯信息、
医疗、交通、音响设备办公自动化与家
电等各种支柱产业与高新技术产业。

自本世纪以来，全球钕铁硼产
业在中国的带动下持续放量增长。

2002～2017十五年期间，我国和全球
烧结钕铁硼产量的年平均增长率分别为
17.8%和14.5%，粘结钕铁硼产量的年
平均增长率分别为10.1%和5.6%。

[3]
2.稀土永磁材料的研究
2.1稀土永磁材料的技术进步[4]
2.1.1烧结钕铁硼
近年来，烧结钕铁硼技术一直在不断发展，磁体的综合性能稳步提升。

随着烧结钕铁硼在高性能电机中日益广泛的应用，高磁能积且高工作温度的磁体成为研发的核心目标。

另一方面，为了提高稀土资源平衡利用水平、降低磁体成本，高丰度磁体也成为具有中国特色的另一个重要研发目标。

新技术主要是为了实现这些目标。

①晶界扩散技术
晶界扩散是指在磁体表面引入重稀土元素Dy或Tb，再经热处理使重稀土原子沿着晶界的液相扩散，并置换主相晶粒表层中原有的Nd而形成(Nd，
Dy，Tb)
2Fe
14
B固溶体，主相晶粒中央
并没有受到太多影响，因此在增强晶粒表层的磁晶各向异性场进而提高内禀矫顽力的同时，对磁体的剩磁和最大磁能积并不产生太大影响。

相比传统的合金化元素添加方法，晶界扩散法可以用更低的Dy，Tb重稀土用量获得高矫顽力磁体。

②晶界调控技术
晶界调控是另一种有效提升矫顽力的技术方案。

通过配方和工艺的调整对晶界相进行调控，有望降低晶界相的铁磁性或使其转变为非铁磁性，从而起到更好地降低或去除晶粒之间磁性耦合的作用，使内禀矫顽力在现有水平基础上进一步提高。

③双主相技术
自2011年稀土原材料价格巨幅波动以来，La，Ce和混合稀土等又重新
引起人们的关注。

比较R
2Fe
14
B的内禀
磁性，当R为高丰度的La，Ce或Y时，
饱和磁化强度Ms、磁晶各向异性场Ha
和居里温度Tc都低于Nd
2
Fe
14
B，因此
采用常规的元素替代方法得到的磁体磁
性不可避免会下降；另一方面，当Ce
替代Nd添加到Nd
2
Fe
14
B合金中时，
Ce离子表现为+3和+4混合价态，直
接影响到烧结磁体的相组成及微结构，
损伤内禀矫顽力。

但当采用特定方法时
仍可以制备出可实用高丰度的烧结磁
体。

④晶粒细化技术
细化晶粒是提高矫顽力的另一个重
要途径。

经Sepehri-Amin等的微磁学
模拟，减小晶粒尺寸可以减小散磁场，
即可以降低局部有效退磁因子Neff，
从而提升内禀矫顽力Hej(Hej=αHa-
NeffMs，α为显微结构参数)。

在细化
晶粒方面做的工作包括减小速凝（SC）
合金片的晶粒尺寸、采用氢化歧化
（HDDR）结合氢破碎（HD）和气流
磨（JM）制粉、气流磨磨粉方式改变
或介质从氮气改为氦气、工艺过程的无
氧/低氧控制、低温多场烧结等等。

2.1.2粘结钕铁硼
粘结稀土永磁材料是永磁材料领域
不可或缺的一个分支，粘结磁体具有磁
性能一致性好、尺寸精度高、形状复杂、
涡流损耗小、适合多极充磁（特别是多
极充磁磁环）、易与金属/塑料零件一
体成形等优点，在精密电机和传感器中
扮演着重要的角色。

粘结稀土永磁材料
以各向同性钕铁硼粘结磁体为主，各向
同性粘结钐铁氮磁体和各向异性粘结稀
土磁体正在开发之中。

①各向同性磁粉和粘结磁体
粘结磁体是磁粉和粘结剂构成的复
合体系，采用快淬方法制备的各向同性
钕铁硼磁粉是粘结稀土永磁市场的绝对
主力。

②各向异性磁粉和粘结磁体
各向异性粘结稀土永磁体是一个历
史悠久但又亟待开发的重要分支。

传统
的粘结Sm-Co磁体就是各向异性的，
目前还一直维持着生产。

在各向异性粘
结稀土永磁体领域，磁体制造技术欠发
达严重制约了其发展。

③增材制造粘结稀土磁体
近年来，3D打印技术受到密切关
注并在诸多领域飞速发展。

采用3D打
印制备粘结磁体，不仅可以应对奇特形
状，而且能得到常规制备手段无法企及
的特殊结构或性能。

2.1.3热压/热变形钕铁硼
利用热压/热变形工艺可将纳米晶
磁粉（如快淬Nd-Fe-B磁粉）制备成
各向同性的致密磁体（MQ-II磁体）
和各向异性的致密磁体（MQ-III磁体）。

2.1.4烧结钐钴
烧结钐钴磁体的耐高温特性一直是
研发工作的一个重要方向，当前主要针
对耐高温烧结2∶17型钐钴磁体，通
过调整成分、优化工艺条件从而提高磁
体的矫顽力，进而提升磁体的使用温度，
并且保持较高的磁性能。

2.2稀土永磁材料未来研究趋
势[5]
2.2.1开发高磁能积的粘结磁
体
稀土永磁材料基本上就是钕铁硼为
主的材料，分为两类：烧结磁体和粘结
磁体。

钕铁硼烧结磁体是各向异性的，
并且是全密度磁体，应用逐渐呈现扩大
趋势。

但是对于钕铁硼粘结磁体是各向
同性的，钕铁硼粘结磁体的不足不断凸显出来，首先，其磁粉是各向同性的，最大磁能积上额较低，不能全部能满足现阶段的需求；其次，成型工艺也存在很大的局限性，即钕铁硼快淬磁粉主要用于制作压缩粘结磁体，其产量占比却是十分的低。

随着电器小型化发展趋势的要求，开发高磁能积的粘结磁体成为市场新的需求方向。

2.2.2推进高性能的各向异性稀土粘结磁体开发
为了满足低碳经济的发展要求，对于高性能的各向异性稀土粘结磁体的开
发与研究已经成为社会发展的重要研究
问题。

国际上开发新型各向异性稀土粘
结磁体有二个途径：一是开发新材料，
研究稀土铁氮新型永磁材料，制造单晶
颗粒各向异性磁粉；二是开发新工艺，
制造具有织构的钕铁硼各向异性磁粉，
包括制备钕铁硼各向异性磁粉和热挤压
各向异性磁粉。

2.2.3促进纳米稀土永磁材料
研发
在对稀土永磁材料的研究与开发
上，要将稀土材料与纳米技术相结合，
通过将纳米材料所具备的小尺寸效应、
量子效应、表面效应和界面效应等四大
效应与稀土元素独特的电子层结构特点
相结合，采用新型加工工艺制备纳米
晶NdFeB磁粉，降低烧结温度，而且
所得到的磁体磁能积更高，磁体形状自
由度好、尺寸精度高，因而成为各大
NdFeB永磁体生产公司的研究热点，
有着广阔的市场前景。

3.稀土永磁材料的应用
稀土永磁材料的突出特点就是其重量轻、体积小、磁性强、稳定性高、成本低廉，所以自问世以来受到了广泛关注，目前小到数码产品，大到机床、汽车、机械设备等，都可以看到稀土永磁材料的身影。

稀土永磁材料的使用，提升了产品的高性能及稳定性，并且降低了产品成本。

3.1稀土永磁材料在电机中的应用[6]
电机是以磁场作为传播媒介进行电能与机械能之间的能量转换的电力机械设备。

一般而言，磁场可以通过电流产生，也可以通过永磁体产生。

一般的永磁体其密度相对相抵、磁性有限，因此所能转化的能量也有较大限制，只能用于制造一些小型电机设备。

而稀土永磁材料采电机中的使用，可以产生强大的磁场，并且可以在不需借助外力作用的情况下实现持续永久的磁场传递，因此
稀土永磁材料可用于制造大型电机设备
和精密电机器械。

目前稀土永磁电机在
我国的应用范围已经十分广泛，覆盖了
航天航空、国防设备、大型机电制造、
医疗器械、汽车、生产等多个领域，
其生产制造范围几乎覆盖了整个电机行
业。

稀土永磁电机的特点包括：①体积
小、重量轻。

这样就可以明显缩小电机
设备的整体外观，使其应用范围更加广
泛，并且给电机的生产制造、运输、安
装等环节带来了极大的便利；②性能强
大且稳定性强。

为设备机械的安全运转
及高效生产提供了有利支撑；③效率高、
能耗低。

一般来说，稀土永磁电机在运
行中的平均节电率较普通电机能够提升
10%左右，一些专用的稀土永磁电机最
高可提升15%～20%的节电率，同时
稀土永磁电机还可以通过无极变频调速
功能，实现变速调节，提升运转效率，
降低能耗。

3.2稀土永磁材料在信息技术
中的应用[7]
永磁材料的主要功能在于为各种器
件或装置提供一个磁场，通常在能量转
换的旋转机械中作为转子，而在传感器、
行波管、音响喇叭等器件和装置中作为
一个恒定磁场源。

在信息产业中，永磁
材料已有大量的应用。

稀土永磁材料对于信息产业来说是
一种非常重要的磁性功能材料，它与现
代的信息产业，特别是“三网”（电信
网、电视网、互联网）以及智能电网的
各个方面都有着密切的关系，稀土永磁
材料在信息产业的某些领域甚至是必不
可少的。

4.小结
稀土永磁材料以其巨大的优势被广泛使用于各行各业，稀土永磁的使用极大地促进了永磁设备及器件向小型化、集成化发展，因而广泛应用于风力发电、
新能源汽车、消费电子、空调、高端
装备等诸多领域。

未来我国稀土永磁材
料的开发与利用既要加强对高性能钕铁
硼永磁材料的研究开发、应用，同时要
加强自身的整合，不断提高管理和技术
参考文献：
[1]王喆.稀土永磁材料产业现状分析[J].河南科技，2014(20):62-64.
[2]刘佳音.探索稀土永磁材料发展方向，培育国际贸易竞争优势——我国稀土永磁专利战略发展建议[J].中国金属通报，2019(06):8-9.[3]郭小明.稀土永磁材料的发展及应用[J].江西化工，2018(06):242-243.
[4]胡伯平，饶晓雷，钮萼，蔡道炎.稀土永磁材料的技术进步和产业发展[J].中国材料进展，2018，37(09):653-661+692.[5]许旭升.稀土永磁材料的现状与发展趋势[J].冶金与材料，2019，39(05):178-179.
[6]李容军，甘家毅，谢美玲，梁红梅，陈建彬.稀土永磁材料的发展及在电机中的应用分析[J].大众科技，2019，21(09):23-25.[7]张立乔.稀土永磁材料在信息技术中的应用[J].新材料产业，2016(05):20-24.
水平，在稀土产业向中国转移的过程中保持主动地位。

同时要密切关注和跟踪世界上新的高性能永磁材料研究开发动
态，投入适当的人力物力进行新材料的科学研究开发，使我国在高性能永磁研究开发的先进行列里能占有一席之地，
并在高性能永磁材料领域里保持可持续发展。