稀土永磁材料的應(yīng)用發(fā)展
發(fā)布時間：2023年5月29日 |
文章來源：電機行業(yè)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(guān)重要的作用。例如：
在電氣化時代，電機（包括發(fā)電機和電動機）是主要的能量轉(zhuǎn)化裝置，永磁材料在電機中作為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生勵磁磁場，是實現(xiàn)機械能和電能能量轉(zhuǎn)化的關(guān)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(wèi)星、雷達、手機、計算機、存儲器、音響、耳機等諸多領(lǐng)域。
永磁材料的發(fā)展經(jīng)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(shù)。磁能積是退磁曲線上任一點的磁感應(yīng)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(chǎn)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(xiàn)電機和電子電氣設(shè)備小型化、輕量化的基礎(chǔ)。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(fā)現(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(chǔ)上添加鈷、銅等元素，發(fā)明了鋁鎳鈷永磁合金。
經(jīng)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(fā)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(yù)燒、破碎、球磨、制粉、成型、燒結(jié)、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(fā)明第一種基于鋇的鐵氧體永磁材料。基于鍶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(fā)展迅速，產(chǎn)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(gòu)成的合金為基體制成的永磁材料，目前已經(jīng)發(fā)展至第三代。
具有CaCu5型晶體六角結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)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(nèi)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(fā)現(xiàn)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(jīng)實現(xiàn)商品化。然而，由于釤的儲量稀少而鈷是重要的戰(zhàn)略金屬，SmCo5價格昂貴，難以大規(guī)模應(yīng)用。
在高溫下為穩(wěn)定的Th2Ni17型六角結(jié)構(gòu)，在低溫下為Th2Ni17型菱方結(jié)構(gòu)。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(fā)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(chǎn)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(yōu)良的磁穩(wěn)定性、高溫磁性能、抗氧化及抗腐蝕性，至今仍被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工、高端電機等領(lǐng)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(tǒng)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(fā)明了用樹脂材料黏結(jié)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(jié)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(shù)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(fù)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(huán)形黏結(jié)磁體在各種類型的電機中得到廣泛應(yīng)用。
1985年，美國通用汽車公司物理學家李（Robert W. Lee）發(fā)現(xiàn)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(xiàn)了400kJ/m3的高性能釹鐵硼永磁材料的量產(chǎn)。釹鐵硼永磁材料是應(yīng)用于風力發(fā)電、新能源汽車、家用電器、機器人、智能制造、高端醫(yī)療裝備、磁懸浮和高能物理等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。
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