一、简介

磁性材料是一种生活中非常重要的功能性材料，可分为一般永磁材料和稀土永磁材料。它的应用十分广泛，无论是国防军工、能源产业、信息通讯、汽车工业还是电机工程领域，都能见到它的身影。其中，稀土永磁材料由于其高性能，发展得十分迅猛，电子器件朝着小型化发展的趋势，在一定程度上也推动了它的发展。

目前，钕铁硼（Nd₂Fe₁₄B）稀土永磁材料被称为第三代稀土永磁材料，第一代和第二代分别是是1：5型钐钴磁体（SmCo₅）和2：17型钐钴磁体（Sm₂Co₁₇）。在这三种稀土永磁体中，钕铁硼的最大磁能积最高，因此也被称为“磁王”，理论磁能积为512kJ•m^-3,不含有贵金属Sm和Co，而且相对来说价格较低，故得到了迅速的发展。

图1 永磁材料发展历程

二、性能

钕铁硼永磁材料是以金属间化合物Nd₂Fe₁₄B为基础的永磁材料，为了获得不同的性能，会在配料时加入部分其他金属，如铝、铜等进行部分替代。同时，稀土元素Nd也可以用其他稀土元素镝（Dy）、镨（Pr）进行部分替代。

值得一提的是，近年有研究发现，在制备烧结钕铁硼永磁体时，若用高丰度稀土元素铈（Ce）对Nd的大量替代，最后仍可以获得磁性能较好的的高丰度稀土永磁材料，并且磁体的磁性能不会发生快速恶化的现象。

图2 Nd15.25(Ce1-xYx)15.25FebalAl0.1Cu0.1B1(a)为x=0时磁体的微观组织结构；（b）、（c）为x=0.15时磁体的微观组织结构；(d)为x=0.15时磁体晶粒核壳区域稀土元素分布

永磁材料的磁性能参量主要有：

1、内禀参量，如居里温度T_c,主要由材料的化学成分和晶体结构来确定；

2、结构敏感参量：如剩磁B_r、最大磁能积M_max和矫顽力H_cj。这些参量除了与内禀参量有关外，还与材料的晶粒尺寸、晶粒取向、晶体缺陷等显微结构有关。

钕铁硼的稳定性包括：热稳定性、受外界磁场干扰的稳定性、时间稳定性。由于钕铁硼的居里温度低（312℃），因此对温度极敏感，在受热时其剩磁、特别是内禀矫顽力下降很快，磁性温度系数则变大。早期的烧结钕铁硼永磁材料稳定性较差，一般只能在小于100℃温度下工作，但是经过近年来的发展，使用温度也有着明显的提高。

改善钕铁硼的热稳定性：主要途径是合金化。温度稳定性越好的永磁材料，其工作的环境温度也就能越高。目前高性能产品的最高工作温度已能超过200℃，但解决其热稳定性较低仍是钕铁硼应用中的一个关键问题。另外，若想磁体的最大磁能积M_max和矫顽力H_cj达到最大，则需：

1、烧结体的密度接近或达到材料的理论密度；

2、尽可能减少非磁性相的体积分数；

3、铁磁性相晶粒的取向度尽可能高。

图3 钕铁硼稀土永磁材料

三、制备工艺

钕铁硼磁性材料可分为烧结钕铁硼磁体和粘结钕铁硼磁体，制备工艺主要有粉末冶金、还原扩散、快淬工艺等。

1. 粘结钕铁硼

粘结钕铁硼的制作工艺接近注射成型，区别在于要有辐向磁场。目前粘结钕铁硼磁体以各向同性粘结磁体为主，但随着电子产品向微型化与形状复杂化方向迅速发展，开发高性能粘结钕铁硼磁体势在必行。

2.烧结钕铁硼磁体

烧结钕铁硼磁体的制作工艺采用了粉末冶金法，并结合速凝厚片铸锭工艺和氢碎工艺，工艺流程如下图：

图4 烧结钕铁硼工艺流程

速凝厚片的优点在于:

1. 增加了钕铁硼合金中主相Nd₂Fe₁₄B的体积分数，减少钕铁硼中Nd的含量。

2. 细化晶粒，有效抑制α-Fe枝晶的产生。

3. 富Nd相除作为晶界相外，由于其分布均匀并呈薄片状存在于主晶相内，还可优化烧结过程中液相的分布。

采用氢碎工艺前后对钕铁硼永磁体磁性能的影响如下表：

备注：

氢碎原理：利用稀土-过渡族金属间化合物吸氢特性，即氢气沿富Nd相薄层进入合金内部并吸附在活性点上，之后分解为氢原子，一定温度下在晶界相与富Nd相之间发生放热反应，使合金膨胀破碎。

氢与主相反应生成Nd₂Fe₁₄BH_x氢化物。由于晶界相与主相吸氢速率不同，晶格易膨胀或畸变，且因钕铁硼化合物为脆性材料，故在内应力作用下合金将优先沿着晶界特别是富Nd相和主相的晶界破裂。

四、研究热点

1、热压/热变形钕铁硼永磁材料

热压／热变形技术作为块状各向异性永磁体的制备方法受到人们的广泛关注，其制备的热变形稀土永磁材料在ESP电机和交流伺服电机应用中表现出突出的优势。近年来，热变形稀土永磁材料以其独特的片状纳米晶结构和丰富的晶界组织特性，被认为具有发展高性能无重稀土永磁材料的巨大潜力。

2、纳米晶钕铁硼磁粉

采用快淬方法制备的钕铁硼磁粉是整个粘结稀土永磁市场的主导产品，此外，以HDDR为代表的各向异性粘结磁粉具有更高的磁性能，是目前钕铁硼磁粉的研究热点之一。

五、应用

钕铁硼永磁体的应用十分广泛，遍布于电子、电力机械、医疗器械、玩具、包装、五金机械、航天航空等领域，较常见的有永磁电机、扬声器、磁选机、计算机磁盘驱动器、磁共振成像设备仪表等，国内烧结钕铁硼需求结构可看下图：

1.无刷电机

2.核磁共振仪

3.手机扬声器及手机振动马达

六、问题与展望

虽然烧结钕铁硼永磁材料性能优异，应用也十分的广泛，但是该材料有两个最大的缺点：温度稳定性差和易腐蚀。若能解决这两个问题，对于钕铁硼永磁材料的发展将具有重要的意义。

关于以上两点，已有的解决方案有：1、通过添加或部分替代稀土元素，或者改善热处理工艺来达到提高温度稳定性的目的；2、对产品进行表面处理，如镀镍以解决易腐蚀的问题。

此外，考虑到石墨烯具有优异的抗腐蚀性能，是否可以将石墨烯沉积到磁体表面以达到防腐蚀的效果，相信也是值得广大学者和科研人员去探究的问题。

作者：孙兴才