一、簡介

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。它的應用十分廣泛，無論是國防軍工、能源產業、信息通訊、汽車工業還是電機工程領域，都能見到它的身影。其中，稀土永磁材料由于其高性能，發展得十分迅猛，電子器件朝著小型化發展的趨勢，在一定程度上也推動了它的發展。

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，而且相對來說價格較低，故得到了迅速的發展。

圖1 永磁材料發展歷程

二、性能

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

值得一提的是，近年有研究發現，在制備燒結釹鐵硼永磁體時，若用高豐度稀土元素鈰（Ce）對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發生快速惡化的現象。

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

永磁材料的磁性能參量主要有：

1、內稟參量，如居里溫度T_c,主要由材料的化學成分和晶體結構來確定；

2、結構敏感參量：如剩磁B_r、最大磁能積M_max和矯頑力H_cj。這些參量除了與內稟參量有關外，還與材料的晶粒尺寸、晶粒取向、晶體缺陷等顯微結構有關。

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

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

1、燒結體的密度接近或達到材料的理論密度；

2、盡可能減少非磁性相的體積分數；

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釹鐵硼磁體和粘結釹鐵硼磁體，制備工藝主要有粉末冶金、還原擴散、快淬工藝等。

1. 粘結釹鐵硼

粘結釹鐵硼的制作工藝接近注射成型，區別在于要有輻向磁場。目前粘結釹鐵硼磁體以各向同性粘結磁體為主，但隨著電子產品向微型化與形狀復雜化方向迅速發展，開發高性能粘結釹鐵硼磁體勢在必行。

2.燒結釹鐵硼磁體

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

圖4 燒結釹鐵硼工藝流程

速凝厚片的優點在于:

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

2. 細化晶粒，有效抑制α-Fe枝晶的產生。

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，還可優化燒結過程中液相的分布。

采用氫碎工藝前后對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相薄層進入合金內部并吸附在活性點上，之后分解為氫原子，一定溫度下在晶界相與富Nd相之間發生放熱反應，使合金膨脹破碎。

氫與主相反應生成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，故在內應力作用下合金將優先沿著晶界特別是富Nd相和主相的晶界破裂。

四、研究熱點

1、熱壓/熱變形釹鐵硼永磁材料

熱壓／熱變形技術作為塊狀各向異性永磁體的制備方法受到人們的廣泛關注，其制備的熱變形稀土永磁材料在ESP電機和交流伺服電機應用中表現出突出的優勢。近年來，熱變形稀土永磁材料以其獨特的片狀納米晶結構和豐富的晶界組織特性，被認為具有發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粘結稀土永磁市場的主導產品，此外，以HDDR為代表的各向異性粘結磁粉具有更高的磁性能，是目前釹鐵硼磁粉的研究熱點之一。

五、應用

釹鐵硼永磁體的應用十分廣泛，遍布于電子、電力機械、醫療器械、玩具、包裝、五金機械、航天航空等領域，較常見的有永磁電機、揚聲器、磁選機、計算機磁盤驅動器、磁共振成像設備儀表等，國內燒結釹鐵硼需求結構可看下圖：

1.無刷電機

2.核磁共振儀

3.手機揚聲器及手機振動馬達

六、問題與展望

雖然燒結釹鐵硼永磁材料性能優異，應用也十分的廣泛，但是該材料有兩個最大的缺點：溫度穩定性差和易腐蝕。若能解決這兩個問題，對于釹鐵硼永磁材料的發展將具有重要的意義。

關于以上兩點，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到提高溫度穩定性的目的；2、對產品進行表面處理，如鍍鎳以解決易腐蝕的問題。

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

作者：孫興才