稀土永磁材料的磁性能穩(wěn)定性研究及改進(jìn)措施

摘要：稀土永磁材料是實現(xiàn)家用電器（如空調(diào)、冰箱等）或其他電氣設(shè)備（如牽引電機、發(fā)電機、燃料電池、混合動力汽車、風(fēng)力電機）等高性能化、小型化、高效化的關(guān)鍵材料之一。分析了影響稀土永磁材料磁性能穩(wěn)定性的主要因素，綜述了溫度、外部磁場和時間衰減對磁性能穩(wěn)定性影響的研究現(xiàn)狀，并提出了通過材料成分優(yōu)化、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控和表面處理技術(shù)等方法改善稀土永磁材料磁性能穩(wěn)定性的措施，為稀土永磁材料的研究和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：稀土永磁材料；磁性能穩(wěn)定性；改進(jìn)措施

稀土永磁材料憑借其高剩磁、高矯頑力和高最大磁能積等優(yōu)異的磁性能，在新能源、節(jié)能環(huán)保、信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，在實際應(yīng)用中，稀土永磁材料的磁性能往往因受到溫度、外磁場、時間等因素的影響而發(fā)生變化，導(dǎo)致磁性能不穩(wěn)定，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)安全事故。因此，深入研究影響稀土永磁材料磁性能穩(wěn)定性的機理，采取有效措施提高磁性能穩(wěn)定性，對拓展稀土永磁材料的應(yīng)用范圍，發(fā)揮稀土永磁材料的優(yōu)良特性具有重要意義。

1影響磁性能穩(wěn)定性的主要因素

稀土永磁材料的磁性能穩(wěn)定性是指在一定環(huán)境條件下，材料的磁性參數(shù)保持恒定的能力。影響稀土永磁材料磁性能穩(wěn)定性的因素多種多樣，既有內(nèi)部因素，也有外部因素。（1）內(nèi)部因素主要包括材料的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織等。不同的稀土元素和過渡元素組成對材料的居里溫度、晶體各向異性、磁滯特性等有顯著影響，進(jìn)而影響材料在不同溫度、外磁場環(huán)境下的磁性能穩(wěn)定性。此外，晶粒尺寸、晶粒取向、界面結(jié)構(gòu)等微觀組織特征也會影響材料的矯頑力、磁滯損耗等，從而影響磁性能的穩(wěn)定性。（2）外部因素主要包括工作環(huán)境溫度、外加磁場強度、負(fù)載應(yīng)力以及時間等。溫度升高會導(dǎo)致材料矯頑力下降，剩磁減小，高溫下甚至?xí)鸩豢赡嫱舜?；外加反向磁場會克服材料的矯頑力，造成磁化強度下降；在交變應(yīng)力作用下，材料會產(chǎn)生磁彈效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)，引起磁化強度和矯頑力的變化；隨著時間的延長，在一定溫度或應(yīng)力條件下，材料會發(fā)生磁黏滯現(xiàn)象，導(dǎo)致磁性能逐漸衰退。

2稀土永磁材料磁性能穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀

2.1溫度對磁性能穩(wěn)定性的影響研究

溫度是影響稀土永磁材料磁性能穩(wěn)定性的重要因素之一。一般來說，隨著溫度的升高，材料的矯頑力會逐漸下降，剩余磁化強度也會減小。當(dāng)溫度超過某一臨界值時，材料會發(fā)生不可逆退磁，致使磁性能嚴(yán)重衰退。已有大量研究探討了溫度對Nd-Fe-B、Sm-Co等不同體系稀土永磁材料磁性能的影響規(guī)律［1］。Wu等通過理論計算和實驗研究發(fā)現(xiàn)，Nd-Fe-B永磁體的矯頑力與溫度呈線性關(guān)系，溫度每升高100 ℃，矯頑力下降約10%。Li等研究了Sm-Co永磁體在不同溫度下的磁滯回線變化，發(fā)現(xiàn)在300 ℃以下，該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的抗溫降性能，但溫度超過400 ℃時，材料發(fā)生明顯的不可逆磁性能衰減。進(jìn)一步研究表明，提高Sm-Co永磁體中Sm含量，并優(yōu)化微觀組織，可顯著改善材料的高溫磁性能穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，Tang等通過固熔體強化、晶界擴散等方法，成功制備出在400 ℃以上仍能保持優(yōu)異矯頑力的Sm-Co永磁體，拓寬了Sm-Co永磁體的應(yīng)用溫度范圍。

2.2外部磁場對磁性能穩(wěn)定性的影響研究

外加磁場也會對稀土永磁材料的磁性能產(chǎn)生顯著影響，尤其是在強磁場或交變磁場環(huán)境下，材料更容易發(fā)生不可逆磁化強度損失。Liu等研究了外加反向磁場對Nd-Fe-B燒結(jié)永磁體矯頑力的影響，發(fā)現(xiàn)隨著反向磁場強度的增大，材料的矯頑力明顯下降，當(dāng)反向磁場超過某一臨界值時，材料發(fā)生不可逆磁化強度損失。為了提高Nd-Fe-B永磁體的耐反向磁場能力，Yan等采用晶界擴散技術(shù)，在Nd-Fe-B基體中引入Dy、Tb等重稀土元素，顯著提高了材料在反向磁場下的矯頑力穩(wěn)定性。Wang等以Sm-Fe-N為研究對象，系統(tǒng)探討了不同外加磁場下材料的磁滯回線、剩磁和矯頑力的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在500 kA/m以下的外加磁場中，材料表現(xiàn)出優(yōu)異的磁穩(wěn)定性，但隨著外加磁場進(jìn)一步增大，材料逐漸發(fā)生不可逆磁性能衰減。為了提高材料的抗退磁能力，研究人員優(yōu)化Sm-Fe-N永磁體的微觀組織和元素組成，成功制備出在1 000 kA/m反向磁場下仍能保持優(yōu)異磁性能的新型永磁材料。這些研究成果為稀土永磁材料在強磁場環(huán)境下的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

2.3時間衰減對磁性能穩(wěn)定性的影響研究

時間衰減是稀土永磁材料在長期使用過程中不可忽視的問題。在常溫常磁場條件下，稀土永磁材料的磁性能會隨時間推移而發(fā)生衰減，主要表現(xiàn)為磁化強度和矯頑力的下降。這主要是在環(huán)境溫度、應(yīng)力等外部條件的長期作用下，材料內(nèi)部發(fā)生的擴散、相變等微觀組織演變所致。Zhang等采用長期衰減實驗和微觀組織表征，研究了Nd-Fe-B燒結(jié)永磁體的磁性能隨時間變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在室溫條件下，材料的剩余磁化強度在最初1 000 h內(nèi)下降較快，而后趨于平緩，10 000 h后下降約5%；矯頑力的衰減更為顯著，10 000 h后下降約15%。微觀組織分析表明，磁性能衰減主要源于晶界相的演變和α-Fe相的析出。為了提高Nd-Fe-B永磁體的長期使用穩(wěn)定性，Hu等采用晶界擴散技術(shù)，優(yōu)化晶界相組成，提高晶界的熱穩(wěn)定性，從而有效抑制了磁性能隨時間的衰減。Liu等以Sm-Co永磁體為對象，研究了不同溫度條件下材料磁性能的時間衰減行為，發(fā)現(xiàn)在高于300 ℃時，材料的時間衰減速率明顯加快，400 ℃時1 000 h后剩磁和矯頑力分別下降約10%和20%。通過優(yōu)化Sm-Co永磁體的微觀組織，提高晶界的擴散阻力，可以顯著改善材料的長期熱穩(wěn)定性。上述研究加深了人們對稀土永磁材料時間衰減機理的認(rèn)識，為進(jìn)一步提高材料的長期使用穩(wěn)定性提供了重要指導(dǎo)。

3稀土永磁材料磁性能穩(wěn)定性的改進(jìn)措施

3.1材料成分優(yōu)化

針對不同的應(yīng)用環(huán)境，優(yōu)化稀土永磁材料的元素組成是提高磁性能穩(wěn)定性的重要手段。在Nd-Fe-B永磁體中，通過添加Dy、Tb等重稀土元素，可以顯著提高材料的居里溫度和矯頑力，改善高溫磁穩(wěn)定性。但重稀土元素價格昂貴，會大幅增加材料成本。為了在保證磁性能的同時降低成本，可以采用添加Co、Ga、Al等元素部分替代Nd的方法，在提高矯頑力的同時，還能改善材料的溫度穩(wěn)定性。例如，用Co取代部分Fe，可以提高材料的居里溫度，改善高溫磁性能；添加適量Ga、Al等元素，可以細(xì)化晶粒，增強晶界擴散阻力，提高材料抵抗外場和溫度變化的能力。在Sm-Co永磁體中，通過調(diào)整Sm/Co比例，優(yōu)化合金相組成，可以顯著提高材料的矯頑力和最大磁能級。添加適量Fe、Cu、Zr等元素，可以起到細(xì)化晶粒、強化晶界的作用，進(jìn)一步提高材料的綜合磁性能。同時，采用雙主相甚至多主相復(fù)合策略，可以在擴大矯頑力范圍的同時，提高材料的磁滯特性，改善在外加磁場下的穩(wěn)定性。因此，磁性能穩(wěn)定性的提高需要在深入認(rèn)識材料組分結(jié)構(gòu)性能關(guān)系的基礎(chǔ)上，有針對性地優(yōu)化材料配方，平衡磁性能與穩(wěn)定性的關(guān)系。

3.2微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控

稀土永磁材料的宏觀磁性能是其微觀結(jié)構(gòu)的外在體現(xiàn)。因此，調(diào)控材料的微觀結(jié)構(gòu)是提高其磁穩(wěn)定性的另一重要途徑。晶粒尺寸、晶界結(jié)構(gòu)、晶體取向和缺陷類型等因素都會對材料的矯頑力、剩磁和磁滯損耗產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響磁性能的穩(wěn)定性［2］。例如，減小Nd-Fe-B永磁體的晶粒尺寸，可以顯著提高矯頑力，改善抗反向磁場能力；優(yōu)化晶界相的組成和分布，提高晶界擴散阻力，可以降低在高溫或應(yīng)力環(huán)境下的磁性能衰減；控制晶粒取向，使易磁化軸取向一致，有助于減小外加磁場對剩磁的影響；減少材料內(nèi)部的孔洞、裂紋等缺陷，可以降低外加應(yīng)力導(dǎo)致的磁彈損耗。在Sm-Co永磁體中，通過優(yōu)化熱處理工藝，調(diào)控合金相結(jié)構(gòu)，既可以細(xì)化晶粒，提高矯頑力，又可以獲得合適的鐵磁相順磁相比例，改善磁滯特性，提高其在循環(huán)磁場下的穩(wěn)定性。采用定向凝固、壓縮磁場成型等手段，可以獲得擇優(yōu)取向的Sm-Co永磁體，在提高最大磁能積的同時，還能減小外磁場對剩磁的影響。因此，在新型稀土永磁材料的開發(fā)和制備過程中，必須充分認(rèn)識微觀結(jié)構(gòu)與磁性能之間的關(guān)聯(lián)機制，有針對性地調(diào)控關(guān)鍵微結(jié)構(gòu)參數(shù)，最大限度提高材料的磁穩(wěn)定性。

3.3表面處理技術(shù)

對稀土永磁材料進(jìn)行表面處理和改性，也是提高其磁穩(wěn)定性的有效方法。由于稀土元素化學(xué)活性高，容易被腐蝕氧化，導(dǎo)致表面磁性能劣化。此外，永磁體表面的缺陷和應(yīng)力集中也會誘發(fā)局部退磁，加速磁性能衰減［3］。因此，在永磁材料表面形成致密、均勻、耐腐蝕的保護(hù)層，對提高磁穩(wěn)定性至關(guān)重要。目前，常用的表面處理技術(shù)包括電鍍、化學(xué)鍍、濺射、離子注入等。其中，鎳、鋅等金屬電鍍層可以有效隔絕水氧，防止稀土永磁體被腐蝕；在鍍層中添加鉬、鉻等元素，還可以提高耐磨性和耐熱性。等離子濺射陶瓷涂層如氮化鈦、碳化鎢等，具有優(yōu)異的抗氧化性能，可以顯著提高永磁材料在高溫環(huán)境下的化學(xué)穩(wěn)定性。采用等離子濺射還可以實現(xiàn)涂層元素的梯度分布，降低涂層與基體的熱膨脹失配，提高涂層結(jié)合強度。離子注入可以在永磁體表面形成一層富含氮、碳等元素的非晶層，消除表面缺陷，釋放殘余應(yīng)力，從而減緩局部退磁，延緩磁性能衰減。值得注意的是，在進(jìn)行表面處理時，應(yīng)注意工藝參數(shù)的優(yōu)化，盡量減小對基體磁性能的影響，表面處理與基體成分、組織調(diào)控相結(jié)合，協(xié)同優(yōu)化，可以進(jìn)一步增強稀土永磁材料的綜合性能，擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。

4結(jié)語

當(dāng)前，雖然稀土永磁材料的磁性能穩(wěn)定性研究取得了長足進(jìn)展，但其作用機理認(rèn)識的深度和廣度、制備工藝的可控性和穩(wěn)定性等方面還有待進(jìn)一步加強。特別是面對信息技術(shù)、新能源等領(lǐng)域?qū)Ω叻€(wěn)定性永磁材料的迫切需求，必須加快基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)，加強產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，提高稀土永磁材料的工程化制備水平和綜合性能，推動其在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。

參考文獻(xiàn)：

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［3］崔剛，熊斌，阮琳，等.驅(qū)動電機用高性能釹鐵硼永磁材料不可逆失磁擴散特性研究［J］.中國稀土學(xué)報，2023，41（4）：725-735.

作者簡介：程春東，男，山東海陽人，工程師，本科，研究方向：稀土永磁材料及磁性元器件研發(fā)。