稀土永磁材料研究應用 我國應如何利用稀土儲量世界第一的優勢?

2020-07-30 新材料在線官網

稀土永磁材料應用日益廣泛,已成為現代文明社會發展水平的重要標誌,對於「中國製造2025」的成功實施,起到重要支撐作用。在目前已探明的稀土儲量中,我國儲量居世界第一,號稱稀土王國。這為今後我國大力發展稀土永磁產業打下了堅實的基礎。稀土永磁材料的出現對推動工業進步,特別是電機工業、辦公自動化等起到了積極的作用。[1]


01、稀土永磁材料的發展


稀土永磁材料是一類以稀土金屬元素RE(Sm、Nd、Pr等)和過渡族金屬元素TM(Fe、Co等)所形成的金屬間化合物為基礎的永磁材料,利用稀土-過渡族金屬間化合物發展的稀土永磁材料具有優異的永磁性能,是當前矯頑力最高、磁能積最大的一類永磁材料。[2]
20世紀40年代末出現了AlNiCo永磁,50年代誕生了鐵氧體永磁,60年代研製出了第一代稀土永磁SmCo5,70年代開發成功第二代稀土永磁Sm2Co17,1983年日本住友特殊金屬的佐川真人和美國通用汽車公司各自研發出釹鐵硼永磁NdFeB,為第三代稀土永磁材料。
第三代稀土永磁材料-釹鐵硼(NdFeB)永磁材料因其優異的綜合磁性能,廣泛應用於計算機、通訊信息、醫療、交通、音響設備辦公自動化與家電等各種支柱產業與高新技術產業。
自本世紀以來,全球釹鐵硼產業在中國的帶動下持續放量增長。2002~2017十五年期間,我國和全球燒結釹鐵硼產量的年平均增長率分別為17.8%和14.5%,粘結釹鐵硼產量的年平均增長率分別為10.1%和5.6%。[3]

02、稀土永磁材料的研究


2.1、稀土永磁材料的技術進步[4]
2.1.1燒結釹鐵硼
近年來,燒結釹鐵硼技術一直在不斷發展,磁體的綜合性能穩步提升。隨著燒結釹鐵硼在高性能電機中日益廣泛的應用,高磁能積且高工作溫度的磁體成為研發的核心目標。另一方面,為了提高稀土資源平衡利用水平、降低磁體成本,高豐度磁體也成為具有中國特色的另一個重要研發目標。新技術主要是為了實現這些目標。


①晶界擴散技術
晶界擴散是指在磁體表面引入重稀土元素Dy或Tb,再經熱處理使重稀土原子沿著晶界的液相擴散,並置換主相晶粒表層中原有的Nd而形成(Nd,Dy,Tb)2Fe14B固溶體,主相晶粒中央並沒有受到太多影響,因此在增強晶粒表層的磁晶各向異性場進而提高內稟矯頑力的同時,對磁體的剩磁和最大磁能積並不產生太大影響。相比傳統的合金化元素添加方法,晶界擴散法可以用更低的Dy,Tb重稀土用量獲得高矯頑力磁體。


②晶界調控技術
晶界調控是另一種有效提升矯頑力的技術方案。通過配方和工藝的調整對晶界相進行調控,有望降低晶界相的鐵磁性或使其轉變為非鐵磁性,從而起到更好地降低或去除晶粒之間磁性耦合的作用,使內稟矯頑力在現有水平基礎上進一步提高。


③雙主相技術
自2011年稀土原材料價格巨幅波動以來,La,Ce和混合稀土等又重新引起人們的關注。比較R2Fe14B的內稟磁性,當R為高豐度的La,Ce或Y時,飽和磁化強度Ms、磁晶各向異性場Ha和居裡溫度Tc都低於Nd2Fe14B,因此採用常規的元素替代方法得到的磁體磁性不可避免會下降;另一方面,當Ce替代Nd添加到Nd2Fe14B合金中時,Ce離子表現為+3和+4混合價態,直接影響到燒結磁體的相組成及微結構,損傷內稟矯頑力。但當採用特定方法時仍可以製備出可實用高豐度的燒結磁體。


④晶粒細化技術
細化晶粒是提高矯頑力的另一個重要途徑。經Sepehri-Amin等的微磁學模擬,減小晶粒尺寸可以減小散磁場,即可以降低局部有效退磁因子Neff,從而提升內稟矯頑力Hej(Hej=αHa-NeffMs,α為顯微結構參數)。在細化晶粒方面做的工作包括減小速凝(SC)合金片的晶粒尺寸、採用氫化歧化(HDDR)結合氫破碎(HD)和氣流磨(JM)制粉、氣流磨磨粉方式改變或介質從氮氣改為氦氣、工藝過程的無氧/低氧控制、低溫多場燒結等等。
2.1.2粘結釹鐵硼
粘結稀土永磁材料是永磁材料領域不可或缺的一個分支,粘結磁體具有磁性能一致性好、尺寸精度高、形狀複雜、渦流損耗小、適合多極充磁(特別是多極充磁磁環)、易與金屬/塑料零件一體成形等優點,在精密電機和傳感器中扮演著重要的角色。粘結稀土永磁材料以各向同性釹鐵硼粘結磁體為主,各向同性粘結釤鐵氮磁體和各向異性粘結稀土磁體正在開發之中。


①各向同性磁粉和粘結磁體
粘結磁體是磁粉和粘結劑構成的複合體系,採用快淬方法製備的各向同性釹鐵硼磁粉是粘結稀土永磁市場的絕對主力。
②各向異性磁粉和粘結磁體
各向異性粘結稀土永磁體是一個歷史悠久但又亟待開發的重要分支。傳統的粘結Sm-Co磁體就是各向異性的,目前還一直維持著生產。在各向異性粘結稀土永磁體領域,磁體製造技術欠發達嚴重製約了其發展。
③增材製造粘結稀土磁體
近年來,3D列印技術受到密切關注並在諸多領域飛速發展。採用3D列印製備粘結磁體,不僅可以應對奇特形狀,而且能得到常規製備手段無法企及的特殊結構或性能。


2.1.3熱壓/熱變形釹鐵硼
利用熱壓/熱變形工藝可將納米晶磁粉(如快淬Nd-Fe-B磁粉)製備成各向同性的緻密磁體(MQ-II磁體)和各向異性的緻密磁體(MQ-III磁體)。


2.1.4燒結釤鈷
燒結釤鈷磁體的耐高溫特性一直是研發工作的一個重要方向,當前主要針對耐高溫燒結2:17型釤鈷磁體,通過調整成分、優化工藝條件從而提高磁體的矯頑力,進而提升磁體的使用溫度,並且保持較高的磁性能。


2.2、稀土永磁材料未來研究趨勢[5]


2.2.1開發高磁能積的粘結磁體
稀土永磁材料基本上就是釹鐵硼為主的材料,分為兩類:燒結磁體和粘結磁體。釹鐵硼燒結磁體是各向異性的,並且是全密度磁體,應用逐漸呈現擴大趨勢。但是對於釹鐵硼粘結磁體是各向同性的,釹鐵硼粘結磁體的不足不斷凸顯出來,首先,其磁粉是各向同性的,最大磁能積上額較低,為能全部能滿足現階段的需求;其次,成型工藝也存在很大的局限性,即釹鐵硼快淬磁粉主要用於製作壓縮粘結磁體,其產量佔比卻是十分的低。隨著電器小型化發展趨勢的要求,開發高磁能積的粘結磁體成為市場新的需求方向。


2.2.2推進高性能的各向異性稀土粘結磁體開發
為了滿足低碳經濟的發展要求,對於高性能的各向異性稀土粘結磁體的開發與研究已經成為社會發展的重要研究問題。國際上開發新型各向異性稀土粘結磁體有二個途徑:一是開發新材料,研究稀土鐵氮新型永磁材料,製造單晶顆粒各向異性磁粉;二是開發新工藝,製造具有織構的釹鐵硼各向異性磁粉,包括製備釹鐵硼各向異性磁粉和熱擠壓各向異性磁粉。


2.2.3促進納米稀土永磁材料研發
在對稀土永磁材料的研究與開發上,要將稀土材料與納米技術相結合,通過將納米材料所具備的小尺寸效應、量子效應、表面效應和界面效應等四大效應與稀土元素獨特的電子層結構特點相結合,採用新型加工工藝製備納米晶NdFeB磁粉,降低燒結溫度,而且所得到的磁體磁能積更高,磁體形狀自由度好、尺寸精度高,因而成為各大NdFeB永磁體生產公司的研究熱點,有著廣闊的市場前景。

03、稀土永磁材料的應用


稀土永磁材料的突出特點就是其重量輕、體積小、磁性強、穩定性高、成本低廉,所以自問世以來受到了廣泛關注,目前小到數碼產品,大到工具機、汽車、機械設備等,都可以看到稀土永磁材料的身影。稀土永磁材料的使用,提升了產品的高性能及穩定性,並且降低了產品成本。


3.1、稀土永磁材料在電機中的應用[6]
電機是以磁場作為傳播媒介進行電能與機械能之間的能量轉換的電力機械設備。一般而言,磁場可以通過電流產生,也可以通過永磁體產生。一般的永磁體其密度相對相抵、磁性有限,因此所能轉化的能量也有較大限制,只能用於製造一些小型電機設備。而稀土永磁材料採電機中的使用,可以產生強大的磁場,並且可以在不需藉助外力作用的情況下實現持續永久的磁場傳遞,因此稀土永磁材料可用於製造大型電機設備和精密電機器械。目前稀土永磁電機在我國的應用範圍已經十分廣泛,覆蓋了航天航空、國防設備、大型機電製造、醫療器械、汽車、生產等多個領域,其生產製造範圍幾乎覆蓋了整個電機行業。


稀土永磁電機的特點包括:

①體積小、重量輕。這樣就可以明顯縮小電機設備的整體外觀,使其應用範圍更加廣泛,並且給電機的生產製造、運輸、安裝等環節帶來了極大的便利;

②性能強大且穩定性強。為設備機械的安全運轉及高效生產提供了有利支撐;

③效率高、能耗低。一般來說,稀土永磁電機在運行中的平均節電率較普通電機能夠提升10%左右,一些專用的稀土永磁電機最高可提升15%~20%的節電率,同時稀土永磁電機還可以通過無極變頻調速功能,實現變速調節,提升運轉效率,降低能耗。


3.2、稀土永磁材料在信息技術中的應用[7]
永磁材料的主要功能在於為各種器件或裝置提供一個磁場,通常在能量轉換的旋轉機械中作為轉子,而在傳感器、行波管、音響喇叭等器件和裝置中作為一個恆定磁場源。在信息產業中,永磁材料已有大量的應用。
稀土永磁材料對於信息產業來說是一種非常重要的磁性功能材料,它與現代的信息產業,特別是「三網」(電信網、電視網、網際網路)以及智能電網的各個方面都有著密切的關係,稀土永磁材料在信息產業的某些領域甚至是必不可少的。


小結
稀土永磁材料以其巨大的優勢被廣泛使用於各行各業,稀土永磁的使用極大地促進了永磁設備及器件向小型化、集成化發展,因而廣泛應用於風力發電、新能源汽車、消費電子、空調、高端裝備等諸多領域。未來我國稀土永磁材料的開發與利用既要加強對高性能釹鐵硼永磁材料的研究開發、應用,同時要加強自身的整合,不斷提高管理和技術水平,在稀土產業向中國轉移的過程中保持主動地位。同時要密切關注和跟蹤世界上新的高性能永磁材料研究開發動態,投入適當的人力物力進行新材料的科學研究開發,使我國在高性能永磁研究開發的先進行列裡能佔有一席之地,並在高性能永磁材料領域裡保持可持續發展。


參考文獻:
[1]王喆. 稀土永磁材料產業現狀分析[J]. 河南科技,2014(20):62-64.
[2]劉佳音. 探索稀土永磁材料發展方向,培育國際貿易競爭優勢——我國稀土永磁專利戰略發展建議[J]. 中國金屬通報,2019(06):8-9.
[3]郭小明. 稀土永磁材料的發展及應用[J]. 江西化工,2018(06):242-243.
[4]胡伯平,饒曉雷,鈕萼,蔡道炎. 稀土永磁材料的技術進步和產業發展[J]. 中國材料進展,2018,37(09):653-661+692.
[5]許旭升. 稀土永磁材料的現狀與發展趨勢[J]. 冶金與材料,2019,39(05):178-179.
[6]李容軍,甘家毅,謝美玲,梁紅梅,陳建彬. 稀土永磁材料的發展及在電機中的應用分析[J]. 大眾科技,2019,21(09):23-25.
[7]張立喬. 稀土永磁材料在信息技術中的應用[J]. 新材料產業,2016(05):20-24.

來源:中國粉體網

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