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一文了解“永磁王”钕铁硼

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楼主 发表于:2021-12-08 16:08:16
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稀土是全球公认的关键战略资源,被誉为“现代工业维生素”和“21世纪新材料宝库”,钕铁硼是迄今为止综合素质最优的第三代稀土永磁体,因其高性能、节能环保、原料资源储备丰富、加工工艺成熟、成本低廉(相对于钐钴永磁材料)等优点,得到广泛应用。


 

图片来源:中科三环


1 钕铁硼性能


1983年,日本住友金属公司发明钕铁硼材料,自问世以来,钕铁硼就凭借其卓越的磁性能快速占领永磁材料市场,拥有着“永磁王”的美称。钕铁硼(Nd-Fe-B)是目前磁性最高的永磁材料,主要原料有稀土金属钕、金属元素铁、非金属元素硼,以及少量添加的镝、铌、铜等元素,具备高剩磁、高矫顽力、高磁能积等特点。


2 钕铁硼分类及应用


按生产工艺划分,钕铁硼永磁材料可分为烧结钕铁硼和粘结钕铁硼。粘结钕铁硼各个方向都有磁性,耐腐蚀;而烧结钕铁硼因易腐蚀,表面需镀层,一般有镀锌、镍、环保锌、环保镍、镍铜镍、环保镍铜镍等。


2.1 烧结钕铁硼


烧结钕铁硼是当代强磁,它不仅具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积、高性能价格比等优异特性,且易加工成各种形状尺寸,特别适用于高功率、高磁场领域以及小型化、轻型化的各种换代产品。其工艺流程如下图:

 


烧结钕铁硼磁体主要应用于汽车(电力驱动、电动助力转向及传感器等)、风力发电、信息产业(硬盘驱动器、光盘驱动器)、消费电子(手机、数码相机)、家用电器(变频空调、冰箱和洗衣机)、电梯直线电机、核磁共振成像仪等,在以机器人为代表的智能制造、智能驾驶、智能服务等方面的应用则方兴未艾。


2.2 粘结钕铁硼


粘结钕铁硼是用快淬纳米晶钕铁硼磁粉以高分子聚合物(热固化环氧树脂、热塑性工程塑料等)为粘结剂结合而成的新型复合永磁材料和器件,具有极高的尺寸精度,磁性均匀性和一致性好,可以制成在烧结钕铁硼磁体上难以实现的复杂形状,并易于同其他金属或塑料零部件一体化成形。粘结钕铁硼磁体还有充磁方式多样、涡流损耗低和耐腐蚀性强等特点。其工艺流程如下图:


 


粘结钕铁硼磁体主要应用于信息技术产业如计算机硬盘和光盘驱动器主轴电机、打印机/复印机电机和磁辊,以及变频节能家电和消费电子的驱动和控制元器件等,在新能源汽车的微特电机和传感器上的应用正逐渐成为新兴的主流市场。


3 钕铁硼材料研究现状


烧结钕铁硼作为最早的制备工艺,最普适的实用价值,带动稀土永磁材料进入了高速的发展时期,烧结钕铁硼以其强大的磁体各向异性和低成本的原材料投入成为了各国的研究目标。在高新产业和低碳经济的推动下,烧结钕铁硼磁体的产量得到迅猛的增长,特别是制备工艺技术有了长足的发展。目前,烧结钕铁硼的实验参数磁能积理论值达到了64MGOe,矫顽力的理论值为73KOe。


尽管粘结钕铁硼工业和烧结钕铁硼同期兴起,但是相较而言进展较为滞后。粘结钕铁硼磁体一般是各向同性的,最高磁能积不过16MGOe;另外,由于粘结钕铁硼的生产工艺还有相当的局限,因此用于粘结磁体的快淬磁粉生产能力只能适应较低端市场的应用。目前而言,由于新能源行业的发展,研究制造更高性能的各向异性稀土粘结磁体已成为市场上最新的需求方向。


4 钕铁硼永磁材料腐蚀防护


由于钕铁硼永磁材料中存在的多相结构以及各相之间的化学特性差异,使其固有的耐腐蚀性不足。同时,钕铁硼永磁材料自身成分及烧结过程中存在表面微孔等缺陷,也导致其在使用过程中易被腐蚀。除此之外,钕铁硼居里温度较低对温度比较敏感,在高温环境下其磁性能大幅度降低。钕铁硼耐腐蚀性差及对温度敏感严重制约了其发展。


现阶段钕铁硼防护主要有提升自身耐腐蚀性和表面涂层防护两种途径。前者在平衡电位较低、原本耐蚀性较差的金属中以某种手段掺入平衡电位较高的合金元素,最终使合金平衡电位升高,增加热力学稳定性;后者通过电镀、化学镀、有机涂覆及物理气相沉积等方法,将防护膜层覆盖在钕铁硼材料表面,使钕铁硼材料与外界易发生腐蚀的气氛隔离,进而保护钕铁硼材料,下图是典型用于钕铁硼稀土永磁材料防护的技术手段。


 


5 政策支持


《十四五规划》和《2035年远景目标纲要》将高端稀土功能材料作为高端新材料之一,列入“十四五”制造业核心竞争力提升目录。钕铁硼永磁材料作为最重要的稀土功能材料,属于国家战略性新兴产业,已成为现代化工业不可或缺的关键功能材料。随着“碳达峰、碳中和”国家发展战略的推行,新能源汽车、变频空调压缩机、节能电机、风力发电等领域对钕铁硼磁性材料的需求将会持续较快增长,钕铁硼磁性材料在国民经济和社会发展中的应用价值将进一步提升,作用更加凸显。


6 结语


尽管我国稀土资源丰富,钕铁硼永磁材料产业较多,但都集中在中低端产品上,这也是今后我国稀土永磁产业领域需要改进和提高的地方。稀土材料钕铁硼永磁材料工业在中国现代经济社会发展过程中占有着关键的战略地位,尤其是日新月异的现代科技以及信息产业化发展将为我国稀土永磁钕铁硼工业提供更为广泛的市场前景。企业应当不断创新不断努力,让更优性能的钕铁硼磁材料服务在国民生产上。


参考来源:

【1】邓文宇,等.钕铁硼永磁材料腐蚀机理及防护研究进展.真空.2020.

【2】朱明刚,等.稀土功能材料2035发展战略研究.中国工程科学.2020.

【3】英洛华磁业官网.

【4】中科三环官网.

【5】孙艳荣,等.钕铁硼磁性材料发展现状及性能研究.当代化工研究.2021.