浅析Nd-Fe-B系纳米复合永磁材料的发展及研究进展
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作者: 吴玉城
简要分析稀土永磁材料的发展，及当前状况下Nd-Fe-B纳米永磁材料的研究方向，对我国的稀土永磁材料展望。
稀土材料；永磁材料；Nd-Fe-B；纳米复合永磁材料
[中图分类号]O482.54[文献标识码]A[文章编号]1009-9646（2011）08-0073-02
一、稀土永磁材料的发展概况
稀土永磁材料是将钐、钕混合稀土金属与过渡金属（如钴、铁等）组成的合金，用粉末冶金方法压型烧结，经磁场充磁后制得的一种磁性材料，通常称为稀土金属间化合物永磁，简称稀土永磁。它是20世纪60年代出现的新型金属永磁材料，其发展至今已经历了第一代SmCo5系(1:5型)，第二代Sm2Co17系以及第三代Nd-Fe-B系稀土永磁材料。由于前两代稀土永磁材料都含有地壳中的微量元素“钐”和战略储备物资“Co”且其中钐钴磁体的磁能积在15~30MGOe之间，尽管其磁性能较优异，但含有储量稀少的稀土金属“钐”和稀缺昂贵的战略金属“钴”，因此，它的发展及应用推广都受到了很大的局限。为了摆脱钐、钴的束缚，降低磁体的成本，人们将研究的焦点转向成本低廉的稀土-铁基磁体的上，因而Nd-Fe-B系永磁体应运而生，其的磁能积在27~50MGOe之间，比钐钴磁铁更高，被称为“永磁王”，是目前磁性最高的永磁材料。迈向了开发稀土-铁基磁体的新时代。1972年Clark等人首次发现将TbFe2化合物制成非晶态并退火后，其矫顽力可大大提高。由此得到一个启示――非晶体材料的晶化是有效的磁硬化手段。日本Sagawa等人宣称，日本住友公司已采用传统设备SmCo5的工艺研制出了Nd-Fe-B稀土永磁材料，其磁性能(BH)m=289.7kJ/m3。同年11月肯定了其组成为Nd-Fe-B。至此标志着具有划时代意义的第三代稀土永磁材料Nd-Fe-B的诞生。
Nd-Fe-B材料虽具有高的综合磁性能，但它的居里温度低且易腐蚀。因此自上世纪90年代初，人们又在原有的Sm-Co系和Nd-Fe-B系永磁材料的基础上，通过引入具有高饱和磁化强度的软磁相，开发了一类全新的稀土永磁材料―纳米晶复合永磁材料。经过十余年的研究，获得了Nd2Fe14B/-Fe、Nd2Fe14B/Fe3B、Sm2Fe17N/-Fe、SmCo5/-Fe、Sm2Fe17/-Fe等系列的纳米复合永磁材料。稀土永磁材料是现在已知的综合性能最高的一种永磁材料，它比十九世纪使用的磁钢的磁性能高100多倍，比铁氧体、铝镍钴性能优越得多，比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍。
二、Nd-Fe-B系纳米复合永磁材料的研究进展
由于软磁材料具有较高的饱和磁化强度和极低的矫顽力，而硬磁材料则与之相反，将高饱和磁化强度的软磁相与高磁晶各向异性的稀土金属间化合物硬磁相复合起来，将有可能用硬磁相来提供高的矫顽力，而用软磁相来提供高的饱和磁化强度，从而可得到高性能的永磁材料。
纳米晶复合永磁材料中的剩磁增强现象是1988年荷兰的Philips研究室Coehoorn及其合作者在低Nd合金中首先发现的，他用熔体快淬法制备出了Nd4Fe77.5B18.5非晶薄带，经晶化热处理后得到的各向同性磁粉的Mr>0.5Ms。进一步的研究表明，这是由于该合金中纳米级的软磁相Fe3B晶粒和硬磁相Nd2Fe14B晶粒之间的强烈的交换耦合作用，出现了高剩磁和高磁能积现象，并呈现单一铁磁性相特征。此类合金被称为纳米晶双相复合永磁合金，兼有硬磁相的高磁晶各向异性和软磁相的高饱和磁化强度的优点。
纳米复合永磁材料是由具有纳米尺寸晶粒的硬磁相和软硬相的交换耦合作用复合而成，这种材料通过交换耦合作用实现矫顽力高的硬磁相与剩磁高的软磁相间的磁耦合，从而提高材料的整体磁性能。与传统的永磁合金相比，纳米复合永磁合金具有以下特点：
（1）基体相可以是软磁相也可以是硬磁相，两相的数量可以连续的过渡，两相均高度弥散地均匀分布，彼此在纳米级范围内复合；
（2）两相(或第二相)颗粒尺寸达到纳米级大小，两相的界面在晶体学上是共格的；不存在界面相，两相的界面处存在磁交换耦合作用；
（3）虽然两相的磁晶各向异性常数相差极大，但在磁交换耦合作用下，当有外磁场作用时，软磁相的磁矩要随硬磁相的磁矩同步转动，磁体的磁化与反磁化具有单一铁磁性特征，剩磁状态下软磁性相的磁矩将停留在硬磁性相磁矩的平均方向上，因此各向同性的永磁具有剩磁增强效应；
（4）稀土含量比较低，因而原材料成本低，且由于稀土元素含量减少，而使合金具有较好的抗氧化性和耐腐蚀性；具有较好的温度稳定性。
Nd-Fe-B系纳米晶双相复合磁体从相组成来划分可分为3种：
(1)以硬磁相Nd2Fe14B为基体，另外有少量软磁相-Fe，即Nd2Fel4B/-Fe型；
(2)以软磁相Fe3B为基体，另外有少量硬磁相Nd2Fe14B，即Fe3B/Nd2Fe14B型；
(3)以软磁相-Fe为基体，另有少量硬磁相Nd2Fe14B，即-Fe/Nd2Fe14B型。
上述三类材料中，Fe3B/Nd2Fe14B型和-Fe/Nd2Fe14B型纳米晶双相复合永磁合金均是以软磁相为基体的，硬磁相弥散分布于其中。这两类合金由于硬磁相的含量较少，因此具有较高的剩磁并且成本较低，但是矫顽力不高，这就限制了它们的适用范围。而Nd2Fel4B/-Fe型永磁合金中，细小均匀的-Fe晶粒均匀弥散于硬磁相Nd2Fel4B基体上，磁化与反磁化过程具有单一的硬磁性相的特征，软磁性相的特征已消失，因此具有较高的矫顽力，剩磁增强效应比较明显，综合性能最好，是现阶段研究的热点。
三、展望
我国稀土永磁行业的发展始于上世纪60年代末，当时的主导产品是钐-钴永磁，目前钐-钴永磁体世界销售量为630吨，我国为90.5吨（包括SmCo磁粉），主要用于军工技术。随着计算机、通讯等产业的发展，稀土永磁特别是NdFeB永磁产业得到了飞速发展。目前中国已经真正地成为全球最大的稀土永磁生产基地，同时也是非常的潜在稀土永磁应用市场。由于我国丰富的稀土资源，较低的人工成本和广阔的市场，从而国外的钕铁硼制造业逐步向中国转移的态势势不可挡，中国必将成为世界一流的稀土永磁材料供应基地。国外先进的钕铁硼永磁材料制造商进入中国，会对中国稀土永磁企业带来挑战，因此我国要继续加强新型稀土磁性材料的探索、加强高档稀土磁性材料的开发，便我国稀土磁性材料能保持持续发展。
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吴玉城（1989.10―）男，汉，四川广元人，四川大学材料科学与工程学院，研究方向：金属材料工程。
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