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稀土永磁材料NdFeB的研究进展

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2013年10月

摘要

本文论述了NdFeB稀土永磁材料的分类，介绍了NdFeB稀土永磁材料的应用，并根据现状对永磁材料的应用前景进行了展望。

关键词：NdFeB 稀土永磁材料；烧结NdFeB 稀土永磁材料；粘结NdFeB 稀土永磁材料；NdFeB 稀土永磁材料薄膜

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目录

摘要……………………………………………………………………………….II 第1章绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义 (1)

1.2稀土元素简介 (1)

1.3永磁材料简介 (1)

1.4稀土永磁材料发展历程 (1)

1.5 NdFeB 稀土永磁材料概述 (2)

第2章烧结NdFeB 稀土永磁材料概述

2.1 烧结NdFeB稀土永磁材料的性能特点 (3)

2.2烧结NdFeB稀土永磁材料的制备 (3)

2.3烧结NdFeB稀土永磁材料的制备工艺 (4)

2.4添加合金元素对烧结NdFeB稀土永磁材料的影响 (6)

2.5烧结NdFeB稀土永磁材料的应用 (8)

第3章粘结NdFeB 稀土永磁材料

3.1粘结NdFeB稀土永磁材料制备和性能特点 (9)

3.2粘结NdFeB稀土永磁材料的应用 (9)

第4章 NdFeB 稀土永磁材料薄膜 (10)

结论 (11)

参考文献 (11)

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第1章绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

通过对稀土永磁材料NdFeB的研究进展的探索，灵活运用所学内容，了解该材料的制备原理，并通过其应用前景加深对稀土化学课程内容的理解探究和窥探整个化学行业的发展。

1.2 稀土元素简介

稀土元素指的是化学元素周期表中镧系元素——镧(La）、铈(Ce）、镨(Pr）、钕(Nd）、钷(Pm）、钐(Sm）、铕(Eu）、钆(Gd）、铽(Tb）、镝(Dy）、钬(Ho）、铒(Er）、铥(Tm）、镱(Yb）、镥(Lu），以及与镧系的15个元素密切相关的元素——钪(Sc)和钇(Y)共17种元素。

1.3永磁材料简介

永磁材料又称硬磁材料，是一类经过外加磁场磁化以后能长时间保留磁性的、并能经受不太强的外加磁场和其他环境因素（如振动和温度等）的干扰的强磁材料，因这类材料能长期保留其剩磁，故称永磁材料[1]。永磁材料一般具有较高的矫顽力和磁各向异性，磁化线面积和磁化到技术需要的磁化场都比较大。此外，永磁对外加干扰磁场和振动、温度等非磁性因素变化的稳定性较高[2]

1.4稀土永磁材料简介

稀土永磁材料是众多磁功能器件的物质基础，已成为电子技术通讯中的重要材料，其应用程度是一个国家和地区科学研究水平和应用技术高低的一个重要标志。如图1所示[3]，稀土永磁材料按开发应用时间可分为第一代钐钴( SmCo5) 、第二代钐钴( Sm2Co17) 和第三代钕铁硼( Nd2Fe14B) 稀土永磁材料，近年来又研究发现了SmFeN系稀土永磁材料和由Nd2Fe14B /－Fe、Sm2Co17 /FeCo等构成的纳米双相交换耦合永磁材料等。[4]

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图1 稀土永磁材料发展历程

1.5 NdFeB稀土永磁材料概述

NdFeB永磁材料以高的磁能积（如图2所示）、高的饱和磁化强度以及低廉的价格等优势逐渐成为目前应用最广泛的一类稀土永磁材料。[5]迄今为止，实验室中NdFeB磁体的最大磁能积已经能到达460 kJ/m3。[6]NdFeB永磁材料主要分为烧结NdFeB永磁材料、粘结NdFeB永磁材料以及NdFeB永磁材料薄膜三大类，接下来本文主要介绍它们的制备及应用。

图2 20世纪不同永磁材料磁能积的发展

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第2章烧结NdFeB永磁材料

2.1 烧结NdFeB 磁体性能特点

烧结NdFeB永磁材料：烧结NdFeB以Nd2Fe14B化合物为基体制备而来，[7]它是现在以及将来一定时段内最重要的永磁材料。该类材料的主要性能特点主要有两点。

1）成本较低:烧结NdFeB永磁材料的能量密度在384kJ·m一3到170kJ·m一3之间[8],故相同的成本可以购买的焦耳能量是最多的。而且烧结NdFeB 永磁材料的原材料非常丰富，我国稀土资源工业储量约4 800 万t，远景储量约12 000 万t，占世界稀土量的70%~80%；而且以铁取代昂贵的战略金属Co 和Ni 等［9］。所以综上烧结NdFeB永磁材料最便宜。

2）磁性能高。由表1通过与其他永磁性能的比较表明[10]，烧结NdFeB永磁材料

(BH)m比Sm

2Co

17

,:高约50%,分别为铁氧体和AIN记。的10和4倍;剩磁Br比AlNiC。高

15%,是铁氧体的3倍;Hc是Sm

2Co

17

的2倍,铁氧体的5倍。由此可见,烧结NdFeB永磁材

料与其他永磁材料相比,具有高剩磁、高磁能积、高矫顽力的特点,是目前世界上发现的永磁材料中磁性能最强的一种。同时,其机械性能好,加工方便,成品率高,

可装配后充磁。烧结NdFeB永磁材料的缺陷是其Br温度系数比Sm

2Co

17

和AlNiCo高,

但比铁氧体低。

表一烧结NdFeB稀土永磁材料和其他永磁材料的性能比较

2.2烧结NdFeB永磁材料的制备

烧结NdFeB系稀土永磁材料由主相Nd

2Fe

14

B、富Nd相、富B相以及稀土氧化物

组成,其中只有主相是磁性相,其余均是非磁性相。因此,烧结NdFeB系稀土永磁材料的磁能积主要由主相的体积分数和晶体的取向度决定。主相体积分数取决于合金的成分设计,取向度取决于磁体的制备过程。其制作流程如下图3。[11]

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图3烧结NdFeB 永磁材料的制备流程图

2.3烧结 NdFeB稀土永磁材料的制备工艺

近年来，高性能烧结NdFeB永磁体的制备技术和设备有很大的改进和革新，主要包括：(1)传统的合金浇注技术由近快速凝固的薄片铸锭技术(Strip Casting)所取代，(2)改进的气流磨技术代替传统的机械破碎、制粉技术，使其粉末颗粒的尺寸分布更窄。高性能烧结NdFeB永磁体制备工艺改进的主要特点是改变过去的单纯依赖调整化学成分来提高磁性能的途径，通过控制材料的微观结构来提高其磁性能。薄片铸锭技术(Strip Casting) 实质上就是合金铸锭晶相织构的控制技术。[12]合金铸锭晶相织构的控制技术是生产高档烧结钕铁硼磁体的技术关键。日本的三德公司和德国真空冶炼公司首先发展了薄片铸锭技术，直至目前还是这两家公司对此技术掌握的最好。尤其是日本的三德公司，所生产的NdFeB母合金薄片产量占国际市场的一半以上。[13]

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图4日本三德公司SC 设备中的旋转Cu 合金辊

为使烧结NdFeB永磁体具有优良的磁性能，其微观组织结构应满足3个条件：(1)Nd2Fe14B主相与富Nd相的相对量应为最佳比例，(2)富Nd相细小、沿晶界弥散分布，(3)不含α-F e相。薄片铸锭技术( 简称SC工艺) 是目前控制合金铸锭晶相织构最有效的工艺，其工作原理是将原料中频感应熔化后，浇注过程中使熔液形成薄厚均匀的平面流，浇铸在匀速旋转的Cu合金旋转辊上( 如图4) 。采用SC工艺制备的NdFeB合金的微观组织结构有以下特点：(1) Nd2Fe14B主相为均匀的厚度的均匀连续的富Nd相层，(3) α- Fe相含量可忽略不计。SC工艺不仅仅是制备高档烧结NdFeB永磁体的关键技术，用于制备中低档NdFeB永磁体母合金，也可显著改善材料的磁性能和产品性能的稳定性。最近，三德公司改进SC工艺，将其应用于生产粘结NdFeB永磁粉( 图5)。和MQI公司生产的粘结NdFeB用磁粉相比，SC工艺制备粘结NdFeB永磁粉的性能略低，但其生产率大为提高，成本急剧降低。[14]

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图5SC母合金制备工艺和MQI 粘结用磁粉制备工艺比较

我国对合金铸锭晶相织构的控制技术极为重视，自2 0 0 0 年国内开始SC工艺和设备的研究和开发，并取得了显著的进展。部分厂家包括安泰科技已制造出SC薄片铸造炉，生产NdFeB薄片铸锭。同时，宁波韵升和北京三吉利等公司从日本真空公司购买SC薄片铸造炉，并已应用于生产。但是，SC工艺是一个系统的技术，所采用的是快冷工艺，浇注温度、浇注流量和冷却速率对NdFeB薄片的微观结构有很大的影响。研究和探索合适SC工艺过程和参数，生产出高质量的NdFeB薄片，是我国磁性材料工作者所需解决的首要问题。

2.4添加合金元素对烧结 NdFeB 稀土永磁材料的影响

合金元素的添加对NdFeB磁体的矫顽力和温度稳定性有着重要影响,它通常是作为取代元素或掺杂元素添加的。取代元素主要作用是提高主相的内察特性,但其缺点是生成的软磁性相会降低(BH)m和Br。取代元素有取代Nd和Fe原子两种。Nd常见的取代元素有Dy、Pr、Sm等。掺杂元素与添加元素不同,它不取代四方相中的某些原子,而是或者以脱溶物的形式分布于硬磁性四方相内部或在四方相晶粒边界形成新的相以取代原先的富Nd相或富B相,达到改善硬磁性晶粒的边界微结

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构的目的,对磁体的性能产生重大的影响[15]。其中Dy元素是一类常用的添加元素,它能显著提高烧结NdFeB永磁体的矫顽力。在一定量的范围内,磁体的Hc与Dy 的添加量成正比例关系。烧结NdFeB稀土永磁材料中Dy的含量不同，便用不同应用（如图6）。[16]

图6不同Dy含量钕铁硼磁体的磁性能及其应用领域

例如Al元素也常加入NdFeB三元合金中,它能显著提高Hci。其原理是Al起细化晶粒作用,提高了富Nd相与Tl晶粒的湿润性。Cu也是常见的添加元素。Cu 能细化微结构,降低NdFeB的共晶温度,提高富Nd液相与Tl相的湿润性,使富Nd 液相沿Tl晶粒均匀分布,提高去交换祸合能力。Ga熔点仅为302.8K,属于低熔点组元。Ga的添加减少富Nd相与Tl相的湿润角,抑制Tl的长大,使Tl相界面缺陷密度减少,反磁化畴在界面形核困难。同时,随富Nd相中Ga的增加,Ga替代Fe改变了富Nd相的结构,使Fe、Nd、B原子向主相中扩散,使边界变得更加平直、光滑和清晰,但Ga不能过量。Co,Al,Dy等均能能提高合金的温度稳定性，而且用部分Nd取代Fe也能改善其耐热性。[15]

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2.5 烧结NdFeB稀土永磁材料的应用

烧结NdFeB永磁体由于具有高的剩磁Br、矫顽力和最大磁能积(BH)m,自发明20多年来取得了飞速发展,己成为现代工业和人们日常生活中不可缺少的永磁材料。它已经成为计算机、网络信息通讯、交通、办公自动化、家电、人体健康与保健等高新技术领域的核心功能器件。此外,烧结钦铁硼永磁材料在地震检波器、阿尔法磁谱仪和微型马达等的应用的发展较快。近年来以烧结NdFeB永磁生产的永磁电机在电动自行车、电动摩托车、电动三轮车和电动小汽车等上的应用发展迅速。电子化和数字化带来了烧结NdFeB永磁体的广泛应用的同时,近年来,减少CO:和废气排放等保护地球环境己成为人们的共识,节电、节能化己成为非常重要的任务。烧结NdFeB永磁材料将起着极为重要的作用。表2列出了目前烧结NdFeB 磁体的主要应用领域。[17]

表2 烧结NdFeB磁体的应用领域

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第3章粘结NdFeB稀土永磁材料

3.1粘结NdFeB 永磁材料的制备和性能特点

在根据我们所需的性能要求，按照一定的比例将具备一定永磁性能的稀土永磁材料的粉末、黏结剂以及另外添加的其他添加剂均匀混合，用压制、挤出或注射成型等方法将其制成产品，即我们所需的复合永磁材料，称为黏结永磁材料。其制作流程图如图7所示。[6]

图7粘结NdFeB 永磁材料的制备流程图

其制作与烧结永磁材料、铸造永磁材料相比，黏结永磁材料的突出优点是：加工尺寸较高，不变形，一般无需二次加工；机械强度好，不易掉边、掉角、破碎；可以进行机加工；形状自由度大，可制成复杂形状薄型和微型产品；易于生产复合元件，可将永磁和其他器件进行嵌件成型和复合一体成型。其不足之处主要是磁性能不像永磁体那样高，而且它的使用温度较低［18］。

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黏结磁体（bonded magnet）属于复合磁体，兼有黏结剂和永磁材料特性。这类材料多以它所采用的黏结剂或磁性粉末的种类而命名，比如金属黏结磁体、橡胶磁体、塑形磁体等是以黏结剂命名的；黏结钕铁硼、黏结铝镍钴、黏结铁氧体、黏结稀土钴等这些是根据磁性粉末的种类命名的。黏结磁体的性能与磁性粉的种类有很大关系，比如黏结稀钴（2:17 型）的最大磁能积为161 kT/m3，而黏结钡铁氧体的最大磁能积仅为3 kT/m3，但是这类材料的价格也相对比较低。黏结磁体分各项同性和各项异性磁体，其主要区别是在成型过程中是否对各项异性的磁粉施加磁场。

3.2粘结NdFeB 永磁材料的应用

目前，永磁实际应用中有30%是黏结磁体，且随着其性能的逐步提高，应用范围还在不断逐步扩大。黏结稀土永磁材料主要应用于以下几个领域：音响器械，主要有扬声器、头戴耳机、耳塞机、微音器（送话筒）等；旋转仪器装置，如各种小型发电机、磁轴承、小型精密电机、定时器转子等；日用品，如玩具、体育用品、门锁等；元器件，如除油污器、磁性联轴节前面几章中，分别对局部多孔质材料的渗透率等。

第4章NdFeB稀土永磁材料薄膜

NdFeB薄膜的制备方法及磁学性能的研究起始于20 世纪80 年代，90 年代后这方面的研究逐渐增多［2］。人们对NdFeB薄膜的研究都是从单层薄膜开始的，研究方向主要有溅射功率、溅射气压、热处理等。当NdFeB与其他物质交替作用时，薄膜的磁性能有较大改善，多层薄膜的研究逐渐成为了研究热点［19］。NdFeB 薄膜的另一重要发展方向是纳米复合永磁薄膜［20］，其作用机理是将软磁相与永磁相在纳米尺度内进行复合，使其既具有永磁材料的高磁晶各项异性，又具有软磁材料的高饱和磁化强度，利用软磁和硬磁之间的交换耦合效应，提高薄膜的磁性能。

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结论

今天全球NdFeB 磁体产业的总产值超过40 亿美元(40.427 亿美元)，其中烧结磁体35.807亿美元，粘结磁体4.62亿美元，两者之比为88.6 ∶11.4。上世纪40年代到60年代主要的商品磁体是铝镍钴（Alnico）；自60 年代末以来，永磁铁氧体成为主要的商品磁体；估计2010 年以后NdFeB 将成为主要商品磁体[21]。而目前稀土由国务院稀土办主管。资源开发和销售过程中问题多多，比如破坏性开采、资源浪费、环境破坏、变相出口、非法走私，但国家正在大力整治。而另一个重要问题是科技水平的低下，导致只能出口上游低附加值产品；反过来却得购买价格高昂的下游产品来满足本国工业、国防需要。限制出口的同时，更应该加大研发。

我们可以通过以下几个方面来促进稀土材料长期可持续发展战略：（1）强化现行政策执行力度。为促进稀土产业的健康发展，国家已出台了一系列的政策法规。（2）严格实行国家管制制度。稀土资源作为战略资源，其管理的职能不能下放到地方政府，要将全国稀土金属的勘探、开采和出口权统并管辖，统一归中央管理。（3）尽快建立国家稀土资源储备制度。建立稀土资源战略储备制度，并不单单是国家拿钱收购稀土建立战略储备这样简单，必须强调战略性，要更多地从国家利益与长远发展的战略高度谋划。（4）加快调整稀土产业布局。加快产业整合，提高稀土行业的产业集中度。（5）严控稀土资源出口。我国应尽快在WTO 及国家安全两种框架下制定新的稀土资源贸易政策。（6）加大稀土利用技术创新力度。稀土的真正价值在于应用。（7）开辟利用外国资源的渠道。并且加大稀土重要性的宣传[22]

参考文献

[1] 宗华. 定向沉积技术制备 NdFeB 系稀土永磁薄膜及其磁学性能的研究[D].

江苏大学, 2006.

[2] 材料合成与制备方法[M]. 哈尔滨工业大学出版社, 2001.

[3]王新林, 韩晓英. 从稀土永磁大国走向稀土永磁强国[J]. 新材料产业, 2009, 10:

76-79.

[4] 冯瑞华, 姜山, 马廷灿, 等. 我国稀土永磁材料发展战略和建议[J]. 科技管理

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研究, 2012, 32(15): 164-167.

[5] 林河成. 我国稀土永磁材料的新进展[J]. 矿冶, 2005, 14(3): 53-58..

[6]刘文峰，张敏刚，李敏杰. NdFeB永磁材料的分类及其应用[J]. 山西冶金, 2013,

114(4): 53-57..

[7]Feller-Kniepmeier M, Link T, Poschmann I, et al. Temperature dependence of

deformation mechanisms in a single crystal nickel-base alloy with high volume fraction of γ′phase[J]. Actamaterialia, 1996, 44(6): 2397-2407.

[8]张守民. NdFeB稀土永磁材料研究进展[J]. 稀土, 2001, 22(1): 45-49.

[9]Yoon S S, Lee K O, Lee S B, et al. Thermal stress and fatigue analysis of exhaust

manifold[J]. Key engineering materials, 2004, 261: 1203-1208.

[10]周寿增, 董清飞. 超强永磁体: 稀土铁系永磁材料[M]. 冶金工业出版社, 2004.

[11]王红锋. 烧结NdFeB永磁体制备方法的研究[D]. 四川大学, 2004.

[12]BemardJetal.JAPPIPhys,1998,83(11):6396一6398

[13]梁树勇,丁辉等,未来3一5年中国烧结钦铁硼磁体工艺技术展望,磁性材料及器

件,2002

[14]于荣海.高性能烧结NdFeB永磁材料新进展.[J]Advanced Materials

Industry,2005,8:36-38.

[15]高汝伟, 孟宪洪. 元素添加与Nd—Fe—B 永磁合金的结构及磁性[J]. 金属材

料研究, 1996, 22(4): 1-8.

[16] 刘荣明. 中国稀土永磁产业现状及技术发展新动向[J]. 新材料产业, 2013 (1):

25-32.

[17]郑学家. 第三代永磁体——钕铁硼[J]. 辽宁化工, 2002, 31(2): 60-61.

[18]徐光献. 稀土(下册, 第二版)[J]. 1995.

[19]郭在在, 刘国玺, 牟晓明, 等. NdFeB永磁薄膜的研究进展[J]. 稀有金属, 2010,

1.

[20]董照远, 朱明原, 金红明. NdFeB纳米晶双相复合永磁材料研究进展[J]. 材料

科学与工程学报, 2003, 21(3): 441-445.

[21]罗阳. 全球NdFeB磁体产业变化与发展的25 年[J]. 磁性材料及器件, 2008,

39(6): 17.

[22] 郭茂林, 贾志琦, 刘翠玲, 等. 中国稀土产业现状及战略安全的几点建议[J].

科技情报开发与经济, 2009, 19(32): 95-98

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