一、簡(jiǎn)介

磁性材料是一種生活中非常重要的功能性材料，可分為一般永磁材料和稀土永磁材料。它的應(yīng)用十分廣泛，無論是國(guó)防軍工、能源產(chǎn)業(yè)、信息通訊、汽車工業(yè)還是電機(jī)工程領(lǐng)域，都能見到它的身影。其中，稀土永磁材料由于其高性能，發(fā)展得十分迅猛，電子器件朝著小型化發(fā)展的趨勢(shì)，在一定程度上也推動(dòng)了它的發(fā)展。

目前，釹鐵硼（Nd₂Fe₁₄B）稀土永磁材料被稱為第三代稀土永磁材料，第一代和第二代分別是是1：5型釤鈷磁體（SmCo₅）和2：17型釤鈷磁體（Sm₂Co₁₇）。在這三種稀土永磁體中，釹鐵硼的最大磁能積最高，因此也被稱為“磁王”，理論磁能積為512kJ?m^-3,不含有貴金屬Sm和Co，而且相對(duì)來說價(jià)格較低，故得到了迅速的發(fā)展。

圖1 永磁材料發(fā)展歷程

二、性能

釹鐵硼永磁材料是以金屬間化合物Nd₂Fe₁₄B為基礎(chǔ)的永磁材料，為了獲得不同的性能，會(huì)在配料時(shí)加入部分其他金屬，如鋁、銅等進(jìn)行部分替代。同時(shí)，稀土元素Nd也可以用其他稀土元素鏑（Dy）、鐠（Pr）進(jìn)行部分替代。

值得一提的是，近年有研究發(fā)現(xiàn)，在制備燒結(jié)釹鐵硼永磁體時(shí)，若用高豐度稀土元素鈰（Ce）對(duì)Nd的大量替代，最后仍可以獲得磁性能較好的的高豐度稀土永磁材料，并且磁體的磁性能不會(huì)發(fā)生快速惡化的現(xiàn)象。

圖2 Nd15.25(Ce1-xYx)15.25FebalAl0.1Cu0.1B1(a)為x=0時(shí)磁體的微觀組織結(jié)構(gòu)；（b）、（c）為x=0.15時(shí)磁體的微觀組織結(jié)構(gòu)；(d)為x=0.15時(shí)磁體晶粒核殼區(qū)域稀土元素分布

永磁材料的磁性能參量主要有：

1、內(nèi)稟參量，如居里溫度T_c,主要由材料的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)來確定；

2、結(jié)構(gòu)敏感參量：如剩磁B_r、最大磁能積M_max和矯頑力H_cj。這些參量除了與內(nèi)稟參量有關(guān)外，還與材料的晶粒尺寸、晶粒取向、晶體缺陷等顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)。

釹鐵硼的穩(wěn)定性包括：熱穩(wěn)定性、受外界磁場(chǎng)干擾的穩(wěn)定性、時(shí)間穩(wěn)定性。由于釹鐵硼的居里溫度低（312℃），因此對(duì)溫度極敏感，在受熱時(shí)其剩磁、特別是內(nèi)稟矯頑力下降很快，磁性溫度系數(shù)則變大。早期的燒結(jié)釹鐵硼永磁材料穩(wěn)定性較差，一般只能在小于100℃溫度下工作，但是經(jīng)過近年來的發(fā)展，使用溫度也有著明顯的提高。

改善釹鐵硼的熱穩(wěn)定性：主要途徑是合金化。溫度穩(wěn)定性越好的永磁材料，其工作的環(huán)境溫度也就能越高。目前高性能產(chǎn)品的最高工作溫度已能超過200℃，但解決其熱穩(wěn)定性較低仍是釹鐵硼應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問題。另外，若想磁體的最大磁能積M_max和矯頑力H_cj達(dá)到最大，則需：

1、燒結(jié)體的密度接近或達(dá)到材料的理論密度；

2、盡可能減少非磁性相的體積分?jǐn)?shù)；

3、鐵磁性相晶粒的取向度盡可能高。

圖3 釹鐵硼稀土永磁材料

三、制備工藝

釹鐵硼磁性材料可分為燒結(jié)釹鐵硼磁體和粘結(jié)釹鐵硼磁體，制備工藝主要有粉末冶金、還原擴(kuò)散、快淬工藝等。

1. 粘結(jié)釹鐵硼

粘結(jié)釹鐵硼的制作工藝接近注射成型，區(qū)別在于要有輻向磁場(chǎng)。目前粘結(jié)釹鐵硼磁體以各向同性粘結(jié)磁體為主，但隨著電子產(chǎn)品向微型化與形狀復(fù)雜化方向迅速發(fā)展，開發(fā)高性能粘結(jié)釹鐵硼磁體勢(shì)在必行。

2.燒結(jié)釹鐵硼磁體

燒結(jié)釹鐵硼磁體的制作工藝采用了粉末冶金法，并結(jié)合速凝厚片鑄錠工藝和氫碎工藝，工藝流程如下圖：

圖4 燒結(jié)釹鐵硼工藝流程

速凝厚片的優(yōu)點(diǎn)在于:

1. 增加了釹鐵硼合金中主相Nd₂Fe₁₄B的體積分?jǐn)?shù)，減少釹鐵硼中Nd的含量。

2. 細(xì)化晶粒，有效抑制α-Fe枝晶的產(chǎn)生。

3. 富Nd相除作為晶界相外，由于其分布均勻并呈薄片狀存在于主晶相內(nèi)，還可優(yōu)化燒結(jié)過程中液相的分布。

采用氫碎工藝前后對(duì)釹鐵硼永磁體磁性能的影響如下表：

備注：

氫碎原理：利用稀土-過渡族金屬間化合物吸氫特性，即氫氣沿富Nd相薄層進(jìn)入合金內(nèi)部并吸附在活性點(diǎn)上，之后分解為氫原子，一定溫度下在晶界相與富Nd相之間發(fā)生放熱反應(yīng)，使合金膨脹破碎。

氫與主相反應(yīng)生成Nd₂Fe₁₄BH_x氫化物。由于晶界相與主相吸氫速率不同，晶格易膨脹或畸變，且因釹鐵硼化合物為脆性材料，故在內(nèi)應(yīng)力作用下合金將優(yōu)先沿著晶界特別是富Nd相和主相的晶界破裂。

四、研究熱點(diǎn)

1、熱壓/熱變形釹鐵硼永磁材料

熱壓／熱變形技術(shù)作為塊狀各向異性永磁體的制備方法受到人們的廣泛關(guān)注，其制備的熱變形稀土永磁材料在ESP電機(jī)和交流伺服電機(jī)應(yīng)用中表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢(shì)。近年來，熱變形稀土永磁材料以其獨(dú)特的片狀納米晶結(jié)構(gòu)和豐富的晶界組織特性，被認(rèn)為具有發(fā)展高性能無重稀土永磁材料的巨大潛力。

2、納米晶釹鐵硼磁粉

采用快淬方法制備的釹鐵硼磁粉是整個(gè)粘結(jié)稀土永磁市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品，此外，以HDDR為代表的各向異性粘結(jié)磁粉具有更高的磁性能，是目前釹鐵硼磁粉的研究熱點(diǎn)之一。

五、應(yīng)用

釹鐵硼永磁體的應(yīng)用十分廣泛，遍布于電子、電力機(jī)械、醫(yī)療器械、玩具、包裝、五金機(jī)械、航天航空等領(lǐng)域，較常見的有永磁電機(jī)、揚(yáng)聲器、磁選機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器、磁共振成像設(shè)備儀表等，國(guó)內(nèi)燒結(jié)釹鐵硼需求結(jié)構(gòu)可看下圖：

1.無刷電機(jī)

2.核磁共振儀

3.手機(jī)揚(yáng)聲器及手機(jī)振動(dòng)馬達(dá)

六、問題與展望

雖然燒結(jié)釹鐵硼永磁材料性能優(yōu)異，應(yīng)用也十分的廣泛，但是該材料有兩個(gè)最大的缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差和易腐蝕。若能解決這兩個(gè)問題，對(duì)于釹鐵硼永磁材料的發(fā)展將具有重要的意義。

關(guān)于以上兩點(diǎn)，已有的解決方案有：1、通過添加或部分替代稀土元素，或者改善熱處理工藝來達(dá)到提高溫度穩(wěn)定性的目的；2、對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行表面處理，如鍍鎳以解決易腐蝕的問題。

此外，考慮到石墨烯具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，是否可以將石墨烯沉積到磁體表面以達(dá)到防腐蝕的效果，相信也是值得廣大學(xué)者和科研人員去探究的問題。

作者：孫興才