稀土永磁材料的應用發展
發布時間：2023年5月29日 |
文章來源：電機行業觀察 |
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永磁材料，又稱為硬磁材料，是指被外部磁場磁化后，去除外部磁場仍可以長期保持強磁性的一類磁性材料，通常具有寬磁滯回線、高矯頑力和高剩磁等特性。永磁材料在人類社會的電氣化和信息化進程中起到了至關重要的作用。例如：
在電氣化時代，電機（包括發電機和電動機）是主要的能量轉化裝置，永磁材料在電機中作為轉子產生勵磁磁場，是實現機械能和電能能量轉化的關鍵元件；
在信息時代，永磁材料作為恒定磁場源而廣泛用于衛星、雷達、手機、計算機、存儲器、音響、耳機等諸多領域。
永磁材料的發展經歷了天然磁石、金屬永磁材料、鐵氧體永磁材料和稀土永磁材料等4個階段。
最大磁能積是評估永磁材料性能的重要參數。磁能積是退磁曲線上任一點的磁感應強度與磁場強度的乘積，表示磁極間的氣隙空間的磁能量密度，用于衡量磁體對外做功的能力。磁能積越大，產生同樣效果時所需磁材料越少。高磁積能的永磁材料是實現電機和電子電氣設備小型化、輕量化的基礎。以釹鐵硼合金為代表的第三代稀土永磁材料的最大磁能積超過400kJ/m3，是目前磁積能最高的永磁材料，被稱為“永磁之王”。
天然磁石是人類最早發現和使用的永磁材料，距今已有4000多年的歷史，其化學成分為四氧化三鐵（Fe3O4）。春秋時期的《鬼谷子》有“鄭人取玉也，載司南之車”的記載，司南是中國古代利用天然磁石制造的最早用于辨識方向的儀器，被列為中國古代四大發明之一。天然磁石的最大磁能積約為1kJ/m3。
金屬永磁材料是以鐵、鈷、鎳為重要組元的永磁材料，先后發展出碳鋼、鎢鋼、鉻鋼、鈷鋼，以及鐵鎳鋁（FeNiAl）和鋁鎳鈷（AlNiCo）永磁合金。
大約在18世紀70年代，英國物理學家奈特（Gowin Knight）制備了最大磁能積約為1.6kJ/m3的碳鋼永磁體。
1880年前后，通過向碳鋼中添加鎢形成的鎢鋼取代了碳鋼作為永磁材料，其最大磁能積提高到2.4kJ/m3。后來，人們發現向碳鋼中添加鉻也有類似鎢鋼的效果。
1917年，日本物理學家本多光太郎（Kotaro Honda）發現添加35%的鈷可以使最大磁能積提高到7.6kJ/m3。
1931年，日本材料學家三島德七（Tokushichi Mishima）在研究鐵鎳合金的磁化不可逆性時，發現在鐵中加入鎳、鋁可形成鐵鎳鋁永磁合金，最大磁能積達到10kJ/m3。
1934年，三島德七在鐵鎳鋁合金基礎上添加鈷、銅等元素，發明了鋁鎳鈷永磁合金。
經過工藝的不斷改進，到20世紀60年代，鋁鎳鈷永磁合金的最大磁能積達到了76kJ/m3。
在20世紀60至70年代稀土永磁材料發明前，鋁鎳鈷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%。
鐵氧體永磁材料是將三氧化二鐵（Fe2O3）、氧化鍶（SrO）或氧化鋇（BaO）通過預燒、破碎、球磨、制粉、成型、燒結、機械加工等陶瓷工藝的方法制造而成的。
1952年，飛利浦（美國）公司發明第一種基于鋇的鐵氧體永磁材料?；阪J的鐵氧體永磁材料的最大磁能積可達到28kJ/m3。因原材料便宜、工藝簡單、價格低廉，鐵氧體永磁材料在20世紀70年代發展迅速，產量躍居永磁材料首位。
稀土永磁材料是以稀土金屬與鐵、鈷、鎳等過渡金屬構成的合金為基體制成的永磁材料，目前已經發展至第三代。
具有CaCu5型晶體六角結構，該結構使其有較高的磁晶各向異性，理論最大磁能積可達244.9kJ/m3。
1959年，美國貝爾實驗室科學家內斯比特（Ethan A. Nesbitt）最早研究了稀土-鈷金屬間化合物的磁性能，最初主要研究釓鈷合金GdCo5。
1960年，美國海軍奧德南斯實驗室科學家哈伯德（William M. Hubbard）發現GdCo5具有較強的磁晶各向異性。
1967年，美國戴頓大學的奧地利物理學家斯特納特（Karl J. Strnat）采用粉末冶金法制備出第一種稀土永磁材料——釔鈷合金YCo5，其最大磁能積約為7kJ/m3。
同年，斯特納特用同樣的方法制備出最大磁能積約64kJ/m3的SmCo5，這標志著稀土永磁時代由此開啟。
1968年，荷蘭材料學家布肖（Kurt H. J. Buschow）改進了粉體壓制工藝，將SmCo5的最大磁能積提高到147kJ/m3，刷新了當時永磁材料磁能積的記錄。
20世紀70年代，SmCo5永磁材料已經實現商品化。然而，由于釤的儲量稀少而鈷是重要的戰略金屬，SmCo5價格昂貴，難以大規模應用。
在高溫下為穩定的Th2Ni17型六角結構，在低溫下為Th2Ni17型菱方結構。通過向Sm2Co17合金中添加鐵元素以部分取代晶體中的鈷可提高其磁性能，理論上最大磁能積為270kJ/m3。
1977年，日本TDK公司科學家小島輝彥（Teruhiko Ojima）研究了鋯、鎳、鉭等元素對永磁合金磁性能的影響，開發出化學式為Sm2（Co, Cu, Fe, Zr）17的永磁合金，其最大磁能積達到238kJ/m3，這標志著第二代稀土永磁材料的誕生。
目前，可量產的高性能Sm2Co17的最大磁能積已達到264kJ/m3，接近理論極限。Sm2Co17因優良的磁穩定性、高溫磁性能、抗氧化及抗腐蝕性，至今仍被廣泛應用于航空航天、國防軍工、高端電機等領域。
1982年，日本住友特殊金屬公司科學家佐川真人（Masato Sagawa）使用傳統的粉末冶金法制備出化學式為Nd15Fe77B8的釹鐵硼永磁合金，其最大磁能積達到290kJ/m3。
同年，美國通用汽車公司科學家克羅特（John J. Croat）發明了用樹脂材料黏結亞微米級晶粒的快速凝固法來制備釹鐵硼永磁材料。由于樹脂黏結劑是非磁性材料且難以控制磁晶粒的晶軸取向，其最大磁能積僅能達到114kJ/m3。
目前，大多數高性能釹鐵硼永磁材料采用粉末冶金法制備，但粉末冶金法難以制備形狀復雜、精度要求高的磁體，因此快速凝膠法制備的薄壁、高長徑比的環形黏結磁體在各種類型的電機中得到廣泛應用。
1985年，美國通用汽車公司物理學家李（Robert W. Lee）發現高溫塑性變形可以改善晶體排列，制備出最大磁能積約為320kJ/m3的釹鐵硼永磁材料。
1990年，中國材料學家謝宏祖制備出最大磁能積為415kJ/m3的釹鐵硼永磁材料，被美國航空航天局采用。
2000年，日本豐田中央研究所研究員金子裕治（Yuji Kaneko）制備出最大磁能積為444kJ/m3的釹鐵硼永磁材料，并實現了400kJ/m3的高性能釹鐵硼永磁材料的量產。釹鐵硼永磁材料是應用于風力發電、新能源汽車、家用電器、機器人、智能制造、高端醫療裝備、磁懸浮和高能物理等領域的關鍵材料。
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