稀土永磁材料的应用发展
发布时间：2023年5月29日 |
文章来源：电机行业观察 |
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永磁材料，又称为硬磁材料，是指被外部磁场磁化后，去除外部磁场仍可以长期保持强磁性的一类磁性材料，通常具有宽磁滞回线、高矫顽力和高剩磁等特性。永磁材料在人类社会的电气化和信息化进程中起到了至关重要的作用。例如：
在电气化时代，电机（包括发电机和电动机）是主要的能量转化装置，永磁材料在电机中作为转子产生励磁磁场，是实现机械能和电能能量转化的关键元件；
在信息时代，永磁材料作为恒定磁场源而广泛用于卫星、雷达、手机、计算机、存储器、音响、耳机等诸多领域。
永磁材料的发展经历了天然磁石、金属永磁材料、铁氧体永磁材料和稀土永磁材料等4个阶段。
最大磁能积是评估永磁材料性能的重要参数。磁能积是退磁曲线上任一点的磁感应强度与磁场强度的乘积，表示磁极间的气隙空间的磁能量密度，用于衡量磁体对外做功的能力。磁能积越大，产生同样效果时所需磁材料越少。高磁积能的永磁材料是实现电机和电子电气设备小型化、轻量化的基础。以钕铁硼合金为代表的第三代稀土永磁材料的最大磁能积超过400kJ/m3，是目前磁积能最高的永磁材料，被称为“永磁之王”。
天然磁石是人类最早发现和使用的永磁材料，距今已有4000多年的历史，其化学成分为四氧化三铁（Fe3O4）。春秋时期的《鬼谷子》有“郑人取玉也，载司南之车”的记载，司南是中国古代利用天然磁石制造的最早用于辨识方向的仪器，被列为中国古代四大发明之一。天然磁石的最大磁能积约为1kJ/m3。
金属永磁材料是以铁、钴、镍为重要组元的永磁材料，先后发展出碳钢、钨钢、铬钢、钴钢，以及铁镍铝（FeNiAl）和铝镍钴（AlNiCo）永磁合金。
大约在18世纪70年代，英国物理学家奈特（Gowin Knight）制备了最大磁能积约为1.6kJ/m3的碳钢永磁体。
1880年前后，通过向碳钢中添加钨形成的钨钢取代了碳钢作为永磁材料，其最大磁能积提高到2.4kJ/m3。后来，人们发现向碳钢中添加铬也有类似钨钢的效果。
1917年，日本物理学家本多光太郎（Kotaro Honda）发现添加35%的钴可以使最大磁能积提高到7.6kJ/m3。
1931年，日本材料学家三岛德七（Tokushichi Mishima）在研究铁镍合金的磁化不可逆性时，发现在铁中加入镍、铝可形成铁镍铝永磁合金，最大磁能积达到10kJ/m3。
1934年，三岛德七在铁镍铝合金基础上添加钴、铜等元素，发明了铝镍钴永磁合金。
经过工艺的不断改进，到20世纪60年代，铝镍钴永磁合金的最大磁能积达到了76kJ/m3。
在20世纪60至70年代稀土永磁材料发明前，铝镍钴永磁合金是性能最高的永磁材料，一度占全球永磁材料使用量的80%。
铁氧体永磁材料是将三氧化二铁（Fe2O3）、氧化锶（SrO）或氧化钡（BaO）通过预烧、破碎、球磨、制粉、成型、烧结、机械加工等陶瓷工艺的方法制造而成的。
1952年，飞利浦（美国）公司发明第一种基于钡的铁氧体永磁材料。基于锶的铁氧体永磁材料的最大磁能积可达到28kJ/m3。因原材料便宜、工艺简单、价格低廉，铁氧体永磁材料在20世纪70年代发展迅速，产量跃居永磁材料首位。
稀土永磁材料是以稀土金属与铁、钴、镍等过渡金属构成的合金为基体制成的永磁材料，目前已经发展至第三代。
具有CaCu5型晶体六角结构，该结构使其有较高的磁晶各向异性，理论最大磁能积可达244.9kJ/m3。
1959年，美国贝尔实验室科学家内斯比特（Ethan A. Nesbitt）最早研究了稀土-钴金属间化合物的磁性能，最初主要研究钆钴合金GdCo5。
1960年，美国海军奥德南斯实验室科学家哈伯德（William M. Hubbard）发现GdCo5具有较强的磁晶各向异性。
1967年，美国戴顿大学的奥地利物理学家斯特纳特（Karl J. Strnat）采用粉末冶金法制备出第一种稀土永磁材料——钇钴合金YCo5，其最大磁能积约为7kJ/m3。
同年，斯特纳特用同样的方法制备出最大磁能积约64kJ/m3的SmCo5，这标志着稀土永磁时代由此开启。
1968年，荷兰材料学家布肖（Kurt H. J. Buschow）改进了粉体压制工艺，将SmCo5的最大磁能积提高到147kJ/m3，刷新了当时永磁材料磁能积的记录。
20世纪70年代，SmCo5永磁材料已经实现商品化。然而，由于钐的储量稀少而钴是重要的战略金属，SmCo5价格昂贵，难以大规模应用。
在高温下为稳定的Th2Ni17型六角结构，在低温下为Th2Ni17型菱方结构。通过向Sm2Co17合金中添加铁元素以部分取代晶体中的钴可提高其磁性能，理论上最大磁能积为270kJ/m3。
1977年，日本TDK公司科学家小岛辉彦（Teruhiko Ojima）研究了锆、镍、钽等元素对永磁合金磁性能的影响，开发出化学式为Sm2（Co, Cu, Fe, Zr）17的永磁合金，其最大磁能积达到238kJ/m3，这标志着第二代稀土永磁材料的诞生。
目前，可量产的高性能Sm2Co17的最大磁能积已达到264kJ/m3，接近理论极限。Sm2Co17因优良的磁稳定性、高温磁性能、抗氧化及抗腐蚀性，至今仍被广泛应用于航空航天、国防军工、高端电机等领域。
1982年，日本住友特殊金属公司科学家佐川真人（Masato Sagawa）使用传统的粉末冶金法制备出化学式为Nd15Fe77B8的钕铁硼永磁合金，其最大磁能积达到290kJ/m3。
同年，美国通用汽车公司科学家克罗特（John J. Croat）发明了用树脂材料黏结亚微米级晶粒的快速凝固法来制备钕铁硼永磁材料。由于树脂黏结剂是非磁性材料且难以控制磁晶粒的晶轴取向，其最大磁能积仅能达到114kJ/m3。
目前，大多数高性能钕铁硼永磁材料采用粉末冶金法制备，但粉末冶金法难以制备形状复杂、精度要求高的磁体，因此快速凝胶法制备的薄壁、高长径比的环形黏结磁体在各种类型的电机中得到广泛应用。
1985年，美国通用汽车公司物理学家李（Robert W. Lee）发现高温塑性变形可以改善晶体排列，制备出最大磁能积约为320kJ/m3的钕铁硼永磁材料。
1990年，中国材料学家谢宏祖制备出最大磁能积为415kJ/m3的钕铁硼永磁材料，被美国航空航天局采用。
2000年，日本丰田中央研究所研究员金子裕治（Yuji Kaneko）制备出最大磁能积为444kJ/m3的钕铁硼永磁材料，并实现了400kJ/m3的高性能钕铁硼永磁材料的量产。钕铁硼永磁材料是应用于风力发电、新能源汽车、家用电器、机器人、智能制造、高端医疗装备、磁悬浮和高能物理等领域的关键材料。
