稀土永磁材料研究进展

摘要：本文主要介绍了Sm—Co系稀土永磁材料、Nd—Fe—B系稀土永磁材料、纳米复相

稀土永磁材料的研究进展，以及其制备方法，并简要介绍了它们各自的优缺点及其应用。

关键词：稀土永磁材料 Sm—Co Nd—Fe—B 纳米复相稀土永磁材料

The review of rare earth permanent magnet materials

Liu Tao

Abstract:This article mainly introduced the Sm - Co rare earth permanent magnet

materials、Nd - Fe - B rare earth permanent magnet materials、nanocomposite dualphase rare—earth permanent magnetic material and the method of their preparation ,in the end ,their respective advantages and disadvantages are briefly introduced and its application. Key

words：Rare earth permanent magnet materials ；Sm—Co；Nd—Fe—B ；

nanocomposite dualphase rare—earth permanent magnetic material

1、引言

稀土永磁材料的出现对推动工业进步，特别是电机工业、办公自动化等起到了积极的作用。在实现元器件的小型化、轻量化、高性能、高可靠性方面，稀土永磁材料更是屁示出其优秀的特性[1]。

稀土永磁材料发展到今天，已经经历了第一代SmCO5、第二代Sm2CO17、第三代Nd2Fel4B三个发展阶段，其中Nd—Fe—B永磁材料以其优良的磁学性能成为目前应用最广泛的一类稀土永磁材料。近年来，材料科学工作者又研发了一些新型的稀土永磁材料，最有代表性的有3种：ThMn12型稀土永磁材料；间隙稀土金属间化合物永磁材料，如Sm2Fe17Mx(M=C，N)等；纳米晶复合交换耦合永磁材料[1]。

2、Sm—Co系稀土永磁材料

Sm-CO系稀土永磁材料是20世纪六七十年代发展起来的，包括l：5型(第一代稀土永磁)和2：17型(第二代稀土永磁)Sm-CO稀土永磁体。1968年Strnad[2]等人首先用粉末法制造出第一块YCO5永磁体．最大磁能积(BH)max达9.60 kJ/m3。随后其他人通过同样的方法制备出SmCO5永磁体，其最大磁能积(BH)max达到40.6 kJ/m3。1977年Ojima T等人用粉末冶金法制备出Sm2CO17永磁体，其最大磁能积(BH)max达到240 kJ/m3左右。 2.1 制备工艺

目前制备Sm—Co永磁的工艺基本上可以划分为两个阶段，即制备磁粉阶段和生产制品阶段。前者包括粉末冶金法、还原扩散法、熔体快淬法、氢脆法等；后者包括磁粉成型烧结法、磁粉黏结法、磁粉热压热扎法、直接铸造法等。在实验室范围内还发展了活性烧结法、固相反应法、溅射沉积法和机械合金化等方法。 2.2 性能与应用

SmCO5属于低对称CaCu5型六方晶系，空间群为P6／mmm，具有优异的永磁特性，主要用于航空航天及军事工业。但由于其原材料价格昂贵，资源短缺，并消耗战略性资源钴，因而发展受到很大的。近年来，2：17型钐钴永磁材料由于具有优异的温度稳定性(居里温度、剩磁温度系数、内矫顽力温度系数都明显优于其它稀土永磁材料)、良好的抗腐蚀性能和较高的磁性能[3]，使之又重新焕发了生机，在现代工业及航空航天方面有不可替代的作用。

3、Nd—Fe—B系稀土永磁材料

Sm-CO系磁体中Co的含量较高，而Co是稀缺昂贵的战略资源，Sm也是储量稀少的稀土金属，因此，极大的了Sm—Co系稀土永磁材料的发展[4]。1983年，几乎是在同时，Croat．Koon和Hadjipanyis等人先后用快淬一热处理的工艺制备出Nd—Fe—B高矫顽力永磁体。日本的Sagawa[5]等人则另辟蹊径，首先用粉末冶金法研制出更高性能的Nd—Fe—B永磁体，磁能积高达288 kJ/m3，从而宣告了第三代稀土永磁材料的诞生。

3.1 制备工艺

Nd—Fe—B永磁材料从制备方法和工艺上可分为烧结永磁和黏结永磁两大类。烧结型是把规定成分的磁体粉末在磁场内挤压成型赋予各向异性后加以烧结制成，目前生产的NdFeB永磁合金有80％～90％运用此法。其生产工艺成熟简便、产量较大、质量较好，但成品率低，仅为70％左右(主要原因是机加工时的损失大，但废料可回收利用)。整个工艺流程为：原料一合金熔炼(中频感应炉)一制粉一在磁场巾成型一高温烧结一时效(热处理)一磁化一各向异性的Nd—Fe—B永磁体，具体流程图如下图一所示：

配熔氢气流后加检成烧剥等静

图一：烧结钕铁硼的生产流程

黏结型是将快淬法或氢爆法等其他方法制得的Nd—Fe—B磁粉与黏结剂、添加剂均匀混炼造粒，经成型(模压成型或注射成型等各种成型方法)和后续固化处理即可获得成品永磁体。整个工艺流程为：磁粉、黏结剂和添加剂一混炼一造粒一成型(压制、注射、挤压和压延等)一同化一充磁一黏结型Nd—Fe-B永磁体(各向异性和各向同性)[6]。 3.2 性能与应用

Nd—Fe-B磁体的硬磁主相为Nd2Fel4B四方晶格，空间群为P42／mnm ，居里温度低(312℃)，对温度极敏感，在受热时其剩磁、特别是内禀矫顽力下降很快，磁性温度系数很大，稳定性差，一般只能在小于100℃温度下工作，但其磁能积很大，相比Sm-CO系磁体其成本很低，目前广泛用在磁选机，电机发电机，音响设备这三个方面，其中发电机和电机是以后应用的大头，包括电动汽车，风

力发电机，电梯，起重机等领域用得越来越多，成为许多现代工业技术，特别是电子信息产业中不可缺少的支撑材料。

4、纳米复相稀土永磁材料

纳米晶复相稀土永磁材料，是由纳米晶硬磁相和软磁相组成、在硬磁相与软磁相之间具有交换耦合作用的一类新型永磁材料[7]。由于这类材料具有稀土含量低、综合磁性能好等优点，已被世界市场所接受，目前正在扩大其应用范围，渴望用于微型机电系统、机器人、低温火箭固体分离磁极、军用大功率微波器件磁体以及计算机设备等领域，其经济效益显著[8]。 4.1制备工艺

纳米复相稀土永磁材料主要制备方法有熔体快淬法、机械合金化法、HDDR 法和磁控溅射法、热变形法等，现简要介绍如下：

熔体快淬法是采用真空感应熔炼母合金，然后在真空快淬设备中于惰性气体保护下，在石英管中熔化母合金，在氩气压力的作用下，合金经石英管底部的喷嘴喷射到高速旋转的铜辊或铁辊的表面上，以约105 ～106K/S 的冷却速度快速凝固，直接形成纳米晶复合永磁薄带；或者将快淬形成的非晶薄带进行晶化处理，获得纳米范围内的硬磁相和软磁相的复合结构。

机械合金化法是指利用高能球磨，使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，金属或合金的粉末颗粒经压延、压合，又碾碎、再压合的反复过程，使之在低温下发生固态反应，进而得到非晶态的合金或化合物，然后通过晶化处理以便得到纳米晶结构。

磁控溅射是将待制备的化合物所含的各种元素以原子的形式溅射出来，并按化合物所需比例配合。它是利用阳极和阴极（溅射用的材料，通常称为靶材）之间的氩气在一定电压下通过辉光放电效应，使电离出的高能状态的Ar 离子冲击阴极，从而使阴极材料的原子蒸发形成超微粒子。磁控溅射工艺来制备交换耦合多层膜，即分别用纯靶和化学计量的Nd2Fe14B 合金靶作为阴极，用玻璃等材料作为基底，在高压下，使磁控溅射室内的氩气发生电离，形成氩离子和电子组成的等离子体，其中氩离子在高压电场的作用下，高速轰击Fe 靶或Nd2Fe14B 合金靶，使靶材溅射到基体上，形成纳米晶薄膜或非晶薄膜，然后晶化成纳米晶薄膜。

HDDR 是Hydrogenation —Decomposition —Desorption—Re-combination 的简称，即氢化—岐化—分解—再结合。合金锭先破碎成粗粉，装入真空炉内，在一定温度下晶化处理，合金吸氢并发生歧化反应，然后将氢气抽出，使之再结合成具有纳米晶粒结构的稀土永磁粉末。

热变形法是指在合适的温度和压力下，使磁体达到合适的形变量，由于晶粒滑移和应变能的各向异性，晶粒C轴与压力方向平行的晶粒应变能低，晶粒C轴与压力方向成一定角度的晶粒应变能高，而应变能高的晶粒是不稳定的，它将溶解于富Nd 液相中，使富Nd 液相对Nd2Fe14B 固相饱和度增加，形成一个浓度梯度，通过液相扩散，应变能较低的Nd2Fe14B 晶粒长大，其生长的择优方向是Nd2Fe14B 的基平面，最终导致C 轴与压力平行的晶粒沿着基平面长大成片，从而形成各向异性磁体。 4.2性能与应用

由于纳米晶复相稀土永磁材料具有纳米尺寸的硬磁相和软磁相，其中硬磁相提供大的矫顽力，软磁相提供高饱和磁化强度，两相间存在强烈的交换耦合作用而导致剩磁增强。理论预计取向排列纳米复合磁体的磁能积可达到125MGOe，高于任何一种单相永磁材料，并且具有相对低的稀土含量和较好的化学稳定性，同时满足磁性能、均匀性、抗腐蚀性、温度稳定性、应力稳定性和时效稳定性以及环保与节能的要求，有可能发展成新型的永磁材料[9~11]。可广泛应用于电机、电子、仪表、自动化、计算机、汽车、医疗、家电等行业中。

5、展望

稀土永磁材料由于其优异的性能而有很多重要应用，然而稀土是不可再生资源，未来稀土永磁材料的研究主要集中于提高性能和降低成本[12]。经过近十年的发展，我国在稀土永磁村料研究取得了大量成果，稀土永磁材料产业实现了跨越式的发展和进步，新的应用与需求、新工艺、新设备将不断涌现，推动稀土永磁材料向更高性能、更高稳定性和更高工作温度方向发展。我国应进一步加大对稀土永磁材料研究与发展的投入，充分整合和利用国内的技术和资源优势，大力开展新型永磁材料、新制备技术的开发与应用，降低稀土资源与能源消耗，发展绿色和环境友好的稀土永磁产业，提升我国永磁材料的研究、生产与应用的质量水

平，推动稀土永磁制造产业的升级，并力争在新一代永磁材料的研究方面有所突破[13]。

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