NdFeB稀土永磁材料分析研究

鄧汝彬，梁德寧，黃國(guó)康，羅錦標(biāo)，鄧寧君

（1.肇慶市技師學(xué)院（肇慶三環(huán)京粵磁材有限責(zé)任公司）；2.廣東理工學(xué)院，廣東 肇慶 526000）

NdFeB稀土永磁材料，是第三代稀土永磁材料，是目前應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)量最高的稀土永磁材料，也是當(dāng)前世界永磁材料行業(yè)中主流的研究對(duì)象，其科研價(jià)值以及應(yīng)用潛力顯著，是當(dāng)前世界各國(guó)工業(yè)中重要的功能材料之一，是促進(jìn)國(guó)家多個(gè)行業(yè)發(fā)展和進(jìn)步的重要影響因素，也是推動(dòng)科學(xué)技術(shù)不斷提升的重要內(nèi)容，引發(fā)了行業(yè)內(nèi)的思考和議論。

1 NdFeB稀土永磁材料生產(chǎn)現(xiàn)狀

我國(guó)是世界NdFeB稀土永磁材料生產(chǎn)最多的國(guó)家，也是全球稀土資源最為豐富的國(guó)家，因此開(kāi)發(fā)和利用NdFeB稀土永磁材料，提高現(xiàn)有開(kāi)發(fā)力度以及研發(fā)強(qiáng)度，成為當(dāng)前國(guó)家發(fā)展的重要目標(biāo)。根據(jù)我國(guó)稀土行業(yè)協(xié)會(huì)的發(fā)展數(shù)據(jù)顯示，2019年，我國(guó)NdFeB稀土永磁材料產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)18.3萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)9.6%，其中出口德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，占比超過(guò)20%。另外，我國(guó)2019年燒結(jié)釹鐵硼毛坯產(chǎn)量為17萬(wàn)噸，占據(jù)了NdFeB稀土永磁材料生產(chǎn)的90%以上，同時(shí)國(guó)內(nèi)稀土永磁材料相關(guān)企業(yè)眾多，尤其是高性能的稀土永磁材料生產(chǎn)商，包括中科三環(huán)、銀河磁體、正海磁材、寧波韻升等企業(yè)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)建設(shè)的深入發(fā)展，稀土永磁材料，成為我國(guó)重大科學(xué)技術(shù)發(fā)展的核心內(nèi)容，受到國(guó)家科學(xué)院等眾多專家的重視。結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的政策以及發(fā)展體系，推動(dòng)我國(guó)NdFeB稀土永磁材料的發(fā)展，成為必然的發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)稀土永磁材料核心競(jìng)爭(zhēng)力的提升起到重要的幫助和支持作用。

2 NdFeB稀土永磁材料性能和制造工藝

以釹鐵硼為代表的稀土永磁材料，具有高剩磁密度、高矯頑力和高磁能積的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中磁性最強(qiáng)的永磁材料。釹鐵硼稀土永磁材料，是整個(gè)稀土行業(yè)的中游產(chǎn)業(yè)，其上游產(chǎn)業(yè)是針對(duì)稀土進(jìn)行冶煉和提純，通過(guò)對(duì)稀土材料的煉化，得到稀土原材料。在產(chǎn)業(yè)鏈的下游，利用釹鐵硼稀土永磁材料的特性，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、節(jié)能電梯、磁懸浮列車、變頻空調(diào)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等相關(guān)領(lǐng)域，利用釹鐵硼稀土永磁材料高永磁性能的特征，改善傳統(tǒng)設(shè)備的體積，減少設(shè)備的質(zhì)量，為設(shè)備的小型化，輕量化，給予了重要的幫助。

粘結(jié)NdFeB稀土永磁粉的制造工藝，主要分為快淬法以及HDDR法?？齑惴ù欧壑苽涞拇朋w主要是利用快淬磁粉自身的抗腐蝕性熱穩(wěn)定性，而利用HDDR法制備的磁粉制備磁體是利用HDDR粉的粘結(jié)性，添加Ga、Zr等稀有金屬，制成異性粘結(jié)磁體。粘結(jié)磁體的制備，主要采用壓制成型、注射成型、壓延成型以及擠壓成型等多種方式。同時(shí)，壓制成型和注射成型是現(xiàn)代稀土工業(yè)領(lǐng)域最為常見(jiàn)的成形技術(shù)。以注射成型磁體工藝為例，需要在生產(chǎn)過(guò)程中，加入大量的粘結(jié)劑，因此對(duì)應(yīng)的磁性會(huì)受到一定程度影響，總體磁性水平對(duì)比壓制成型磁體來(lái)說(shuō)，較低。粘結(jié)磁體雖然具有大批量生產(chǎn)條件以及產(chǎn)品尺寸、性能優(yōu)良等一系列優(yōu)勢(shì)，但是同樣具有一些劣勢(shì)，如生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高等，影響了該技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 新生產(chǎn)工藝的發(fā)展及材料性能的改進(jìn)

近年來(lái)，隨著我國(guó)稀土永磁材料的創(chuàng)新發(fā)展，稀土材料的穩(wěn)定性差、耐腐蝕性差、易氧化、矯頑力低等問(wèn)題，極大地限制了稀土材料的發(fā)展，因此針對(duì)稀土材料的各種問(wèn)題，進(jìn)行技術(shù)改造以及技術(shù)強(qiáng)化，提升稀土永磁材料的性能和價(jià)值是很重要的話題。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，氯化物污染是影響永磁材料性能的主要因素，特別是在氯化物較多的環(huán)境中，氧化現(xiàn)象極為明顯，并且磁體狀況、表光滑度、清潔度、磁化狀態(tài)等一系列性能都會(huì)受到影響。為了減少對(duì)應(yīng)的威脅和風(fēng)險(xiǎn)，在永磁材料外部增加一層保護(hù)膜，有效提升永磁材料的防腐特性。例如，在材料表面涂上金屬涂層，以Ni、Zn、Al、Ca等一系列金屬或者氧化物為涂層材料，利用電鍍、化學(xué)鍍等各種舉措，實(shí)現(xiàn)永磁材料抗腐蝕性的有效提升。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有機(jī)溶液鍍Al法成功研發(fā)，該技術(shù)的應(yīng)用，不僅體現(xiàn)出卓越的防護(hù)功能，同時(shí)對(duì)應(yīng)的防護(hù)性能與傳統(tǒng)的防腐方法對(duì)比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是在較為嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境中，利用有機(jī)溶液鍍Al法，可以充分應(yīng)對(duì)惡劣的應(yīng)用環(huán)境，實(shí)現(xiàn)磁體材料的基本特性。

針對(duì)NdFeB稀土永磁材料的基本性能，一方面，要不斷為磁體材料的特性進(jìn)行保護(hù)和優(yōu)化，減少外部環(huán)境的影響和干擾，另一方面，需要針對(duì)NdFeB稀土永磁材料開(kāi)展材料自身的強(qiáng)化工作，例如，在永磁材料中增加相關(guān)元素，從而實(shí)現(xiàn)永磁材料性能的提升。將NdFeB稀土永磁材料中添加新的元素，形成三元以上的永磁材料，如（NdE）-（FeM1M2）-B系永磁材料，添加元素主要為兩種，取代元素與摻雜元素。取代元素主要是以Nd與Fe為主要代表，其核心作用主要是提升材料的磁晶各向異性場(chǎng)、居里溫度等內(nèi)稟參量。摻雜元素的目的，是有效改變永磁材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)永磁材料矯頑力、抗腐蝕性等相關(guān)性能的提升。主要為一元M1、二元M1-Nd以及三元M1-Fe-Nd等組合。

4 NdFeB稀土永磁材料在新能源汽車中的應(yīng)用

近年來(lái)，鑒于NdFeB稀土永磁材料的性能特性，其在新能源汽車領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。一方面，在新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈體系中，NdFeB稀土永磁材料實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的全覆蓋。在體系上游，基于NdFeB稀土永磁材料的原材料稀土，進(jìn)行多種方法的提煉和提純，從而實(shí)現(xiàn)NdFeB稀土永磁材料的有效獲取，同時(shí)在產(chǎn)業(yè)鏈下游，利用NdFeB稀土永磁材料，生產(chǎn)永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)，成為新能源汽車的核心動(dòng)力。稀土永磁電機(jī)體積小、重量輕，使用了高性能的永磁材料提供磁場(chǎng)，使得永磁電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)較異步電機(jī)進(jìn)一步增強(qiáng)，永磁電機(jī)的體積和重量也較異步電機(jī)可以極大地縮小，例如以11kW的異步電機(jī)為例，其重量為110kg，而永磁電機(jī)僅為48kg，相當(dāng)于交流異步電機(jī)重量的44%。

基于永磁材料的特殊性，其為新能源汽車提供強(qiáng)大的動(dòng)力與加速度，同時(shí)還具備能夠減少電機(jī)的體積和重量，提升電機(jī)的使用效率，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度等多方面的優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)代新能源汽車領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)電機(jī)的首選內(nèi)容。例如，北汽EU260、起亞K5、特斯拉Model3等型號(hào)電動(dòng)車，都已經(jīng)應(yīng)用了永磁同步電動(dòng)機(jī)。值得注意的是，電動(dòng)汽車領(lǐng)域的龍頭企業(yè)特斯拉，與我國(guó)中科三環(huán)企業(yè)，已經(jīng)達(dá)成永磁同步機(jī)的采購(gòu)協(xié)議，進(jìn)一步說(shuō)明NdFeB稀土永磁材料的重要發(fā)展趨勢(shì)，也說(shuō)明NdFeB稀土永磁材料在新能源汽車領(lǐng)域中的重要價(jià)值。雖然目前在傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域中，NdFeB稀土永磁材料的應(yīng)用場(chǎng)景較多，但是隨著全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新式發(fā)展，高性能的NdFeB稀土永磁材料必然會(huì)向新能源汽車領(lǐng)域傾斜。根據(jù)我國(guó)工信部2019年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)新能源汽車銷售數(shù)量已經(jīng)超過(guò)221萬(wàn)輛，其中應(yīng)用永磁同步電機(jī)的新能源汽車占比90%以上，進(jìn)一步說(shuō)明永磁電機(jī)的發(fā)展?jié)摿σ约鞍l(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也說(shuō)明在新能源汽車領(lǐng)域中，應(yīng)用永磁電機(jī)是當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，也是新能源汽車領(lǐng)域的必然需求，將會(huì)成為行業(yè)發(fā)展的持續(xù)動(dòng)力。受我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及節(jié)能減排需求等相關(guān)內(nèi)容的影響，永磁電機(jī)的需求程度會(huì)進(jìn)一步提高，特別是在特斯拉電動(dòng)汽車企業(yè)更換永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)后，在行業(yè)內(nèi)形成強(qiáng)烈的發(fā)展方向，引發(fā)各個(gè)新能源汽車企業(yè)的競(jìng)相追逐，成為推動(dòng)行業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要影響因素，也是激發(fā)NdFeB稀土永磁材料需求量激增的重要驅(qū)動(dòng)力。

基于永磁電機(jī)在當(dāng)前新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值以及應(yīng)用潛力，NdFeB稀土永磁材料的性能會(huì)得到進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和研究，尤其是永磁體的高磁能積、矯頑力、居里溫度等，可以進(jìn)一步推動(dòng)永磁電機(jī)的具體性能，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的耐熱性、抗腐蝕性等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行強(qiáng)化，提升永磁電機(jī)的使用壽命，降低永磁電機(jī)的制造成本，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)設(shè)備的批量化生產(chǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)NdFeB稀土永磁材料的分析和論述，從材料性能、生產(chǎn)工藝、改進(jìn)措施以及在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的具體應(yīng)用進(jìn)行深入探索，進(jìn)一步說(shuō)明NdFeB稀土永磁材料的重要應(yīng)用潛力，強(qiáng)化材料的磁性強(qiáng)度，提升材料的各種抗性，以多元化、精準(zhǔn)化、經(jīng)濟(jì)化的發(fā)展理念，助推NdFeB稀土永磁材料的創(chuàng)新應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展。