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“磁王”釹鐵硼——稀土永磁材料中的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)

2017-01-26 11:28:48 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：朱明剛姜瑞姣科普中國(guó) 分享至：

    釹鐵硼永磁材料由于其優(yōu)異的磁性能和較高的性價(jià)比，自問(wèn)世以來(lái)，迅速成為稀土永磁市場(chǎng)中的主導(dǎo)者，其產(chǎn)值占據(jù)世界稀土永磁材料產(chǎn)值的90%，并且隨著制備工藝和生產(chǎn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，其各項(xiàng)性能不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域也在逐步擴(kuò)展。因此，釹鐵硼永磁材料應(yīng)用量的多少已經(jīng)成為現(xiàn)代化水平高低的標(biāo)志，釹鐵硼永磁材料依然是稀土材料產(chǎn)業(yè)中的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。

    今天，就和小編一起認(rèn)識(shí)一下這種新材料。

    一、永磁材料及其發(fā)展

    永磁材料是指在外磁場(chǎng)的作用下磁化至飽和并在去掉外磁場(chǎng)后仍能保持其磁性的一種功能材料，又被稱為永磁材料或硬磁材料，通俗一點(diǎn)來(lái)講，就是人們常說(shuō)的“吸鐵石”。早在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期發(fā)明的“司南”，便是利用了磁鐵指南的作用來(lái)辨別方向。

圖1 戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的司南

盡管人類(lèi)對(duì)磁性材料的認(rèn)識(shí)已有兩千多年，但人造永磁體始于十世紀(jì)我國(guó)發(fā)明的磁化鋼針，磁性材料的發(fā)展與應(yīng)用取得重大進(jìn)步始于十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初。二十世紀(jì)初，人們主要使用鎢鋼、碳鋼、鉻鋼和鈷鋼作永磁材料。二十世紀(jì)三十年代末，AlNiCo（鋁鎳鈷）永磁材料開(kāi)發(fā)成功，永磁材料開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用。五十年代，鋇鐵氧體出現(xiàn)，降低了永磁體成本，同時(shí)將永磁材料應(yīng)用范圍拓寬到高頻領(lǐng)域。到六十年代，稀土鈷永磁研發(fā)成功，永磁體的應(yīng)用邁入了一個(gè)新的時(shí)代。1967年，美國(guó)Dayton大學(xué)的Strnat等成功制成SmCo5永磁體，標(biāo)志著稀土永磁時(shí)代的到來(lái)。迄今為止，稀土永磁材料已經(jīng)由第一代1:5型SmCo5，第二代沉淀硬化型Sm2Co17，發(fā)展到第三代Nd-Fe-B永磁材料。

此外，歷史上曾被用作永磁材料的還有Cu-Ni-Fe、Fe-Co-V、Fe-Co-Mo、A1MnC、MnBi合金等，這些合金由于性能較差、性價(jià)比低，在大多數(shù)場(chǎng)合已很少采用。FeCrCo、AlNiCo、PtCo等合金依然應(yīng)用于一些特殊場(chǎng)合。Ba、Sr鐵氧體仍然是目前用量最大的永磁材料，但其在許多應(yīng)用領(lǐng)域正逐漸被Nd-Fe-B類(lèi)材料取代，當(dāng)前稀土類(lèi)永磁材料的產(chǎn)值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鐵氧體永磁材料，稀土永磁材料的生產(chǎn)已經(jīng)發(fā)展成為一大產(chǎn)業(yè)。Nd-Fe-B已經(jīng)成為目前應(yīng)用最廣的稀土永磁材料，也是迄今為止磁性最強(qiáng)的永磁材料。

圖2 永磁材料的發(fā)展歷史（1990-2015年）

    二、釹鐵硼的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

    釹鐵硼是一種由稀土金屬釹、金屬元素鐵、非金屬元素硼以及少量添加元素鐠、鏑、鈮、鋁、鎵、銅等元素組成的稀土永磁化合物，簡(jiǎn)單來(lái)講是一種磁鐵，又稱磁鋼。釹鐵硼永磁體磁性能優(yōu)良，質(zhì)輕價(jià)廉，應(yīng)用范圍廣泛，被譽(yù)為“磁王”，是迄今為止性價(jià)比最高的磁體材料。

    釹鐵硼永磁體具有大的磁晶各向異性場(chǎng)，磁極化強(qiáng)度高，理論磁能積為64MGOe，其磁性比十九世紀(jì)人們使用的磁鋼的磁性能高100多倍，比平常的鐵氧體、鋁鎳鈷高10倍，比昂貴的鉑鈷合金的磁性能還高一倍，其矯頑力和能量密度很高，大大降低了磁性材料零部件尺寸，推動(dòng)了儀器儀表、電聲電機(jī)、計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話等設(shè)備的小型化、輕量化、薄型化及高效化，提高了產(chǎn)品的性能，而且促進(jìn)了某些特殊器件的產(chǎn)生；釹鐵硼具良好的機(jī)械特性，易于切削加工；其制備技術(shù)工藝比較成熟，居里溫度約為580K，使用溫度可達(dá)150℃；釹鐵硼不含戰(zhàn)略元素Co和Ni，原材料豐富，其很高的性價(jià)比，使得其自1983年釹鐵硼問(wèn)世，到2006年產(chǎn)量就猛增到55540噸，到2015年，更激增至13萬(wàn)噸左右。

    三、釹鐵硼稀土永磁材料的應(yīng)用

    釹鐵硼永磁材料的出現(xiàn)促進(jìn)了人類(lèi)文明的進(jìn)步，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。這類(lèi)材料可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電磁能的相互轉(zhuǎn)換功能，具有磁光效應(yīng)、磁共振效應(yīng)、磁力學(xué)效應(yīng)、磁化學(xué)效應(yīng)、磁生物效應(yīng)、磁阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)等磁的各種物理效應(yīng)，因而被制作成磁性功能器件廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、交通、通訊、航空航天、工業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療等領(lǐng)域。

    工業(yè)中使用的大量傳統(tǒng)異步電機(jī)，在工作時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組要從電網(wǎng)吸收部分電能勵(lì)磁，這部分電網(wǎng)電能最終以電流形式在轉(zhuǎn)子繞組中發(fā)熱消耗掉，該部分損耗約占電機(jī)總損耗的20~30%，使電機(jī)效率降低。永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子上嵌入永磁體，由永磁體建立轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，在正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)同步運(yùn)行，轉(zhuǎn)子中無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生，不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗，只此一項(xiàng)可將電機(jī)效率提高4%~50%。由于永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子中無(wú)感應(yīng)電流勵(lì)磁，定子繞組有可能實(shí)現(xiàn)純阻性負(fù)載，使電機(jī)功率因數(shù)幾乎為1，大大提高了電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)，使電網(wǎng)中不再需要安裝補(bǔ)償器。同時(shí)，因永磁電機(jī)的高效率，也節(jié)約了電能。

    目前，稀土永磁電機(jī)是釹鐵硼磁體最大的應(yīng)用領(lǐng)域，約占磁體總應(yīng)用量的70％，其種類(lèi)繁多，形狀、性能各異。計(jì)算機(jī)硬盤(pán)配套的音圈電機(jī)（VCM）占40％-50％，所以目前計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)是永磁電機(jī)的最大用戶。將釹鐵硼稀土永磁材料應(yīng)用于各種電機(jī)的開(kāi)發(fā)上，由永磁鐵勵(lì)磁，不存在轉(zhuǎn)子損耗和摩擦，可以制成高效節(jié)能、質(zhì)量輕、體積小、大轉(zhuǎn)矩、低速驅(qū)動(dòng)、平穩(wěn)低噪、壽命長(zhǎng)免維護(hù)的電機(jī)，明顯減輕電機(jī)的質(zhì)量，提高電機(jī)性能，再結(jié)合電力電子新技術(shù)，使得稀土永磁材料在電機(jī)中的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品機(jī)電一體化，各種用途的新型稀土永磁電機(jī)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。

    汽車(chē)工業(yè)是釹鐵硼永磁應(yīng)用增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一。在每輛汽車(chē)中，一般可以有幾十個(gè)部位如引擎、制動(dòng)器、傳感器、儀表、音箱等會(huì)用到40～100顆NdFeB系及SmFeN系燒結(jié)磁體。據(jù)悉，一輛全自動(dòng)高級(jí)轎車(chē)約需消耗稀土永磁材料0.5kg～3.5kg；新能源汽車(chē)上釹鐵硼材料的應(yīng)用量更多，每輛混合動(dòng)力車(chē)（HEV）要比傳統(tǒng)汽車(chē)多消耗約5KG釹鐵硼，純電動(dòng)車(chē)（EV）采用稀土永磁電機(jī)替代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，多使用5～10KG釹鐵硼。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和電子技術(shù)要求的不斷提高，其對(duì)釹鐵硼永磁材料的需求量將越來(lái)越大。

    2015年，我國(guó)“永磁高鐵”試運(yùn)成功，采用稀土永磁同步牽引系統(tǒng)后，由于永磁電機(jī)直接勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)速穩(wěn)、噪聲低、體積小、重量輕、可靠性等諸多特點(diǎn)，使得原來(lái)一列8節(jié)車(chē)廂的列車(chē)，由6節(jié)車(chē)廂裝備動(dòng)力減小到4節(jié)車(chē)廂裝備動(dòng)力，從而節(jié)省了2節(jié)車(chē)廂的牽引系統(tǒng)成本，提高了列車(chē)牽引效率，至少省電10%，列車(chē)的全壽命周期成本降低。

    地鐵采用NdFeB稀土永磁牽引電機(jī)后，低速運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)噪音明顯比異步電機(jī)低。永磁發(fā)電機(jī)使用全新封閉式通風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可以有效確保電機(jī)內(nèi)部冷卻系統(tǒng)干凈清潔，免去了以往異步牽引電機(jī)裸露線圈帶來(lái)的濾網(wǎng)堵塞清潔問(wèn)題，使用更加安全可靠，維護(hù)更少；直驅(qū)式釹鐵硼永磁電機(jī)的使用使得某些軌道交通可望在不久的將來(lái)去掉齒輪箱，給軌道交通牽引系統(tǒng)帶來(lái)革命性變化。永磁牽引已經(jīng)成為下一代世界軌道交通列車(chē)主流研究方向。

    近年來(lái)，磁懸浮飛機(jī)國(guó)際有限公司（Magplane International Ltd）在我國(guó)推介美國(guó)磁懸浮飛機(jī)系統(tǒng)。磁懸浮飛機(jī)系統(tǒng)采用釹鐵硼永磁體，進(jìn)行新型懸浮設(shè)計(jì)，是一種最新型地面軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)。每公里需配2輛磁懸浮飛機(jī)（列車(chē)），每一輛磁懸浮飛機(jī)（列車(chē)）將使用約10噸燒結(jié)釹鐵硼材料。該系統(tǒng)通過(guò)優(yōu)化各類(lèi)交通資源和集合多樣性技術(shù)特征，降低造價(jià)和運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)了智能化、大容量和高速的統(tǒng)一。若磁懸浮飛機(jī)系統(tǒng)投入實(shí)際應(yīng)用，可使市內(nèi)短程交通系統(tǒng)與城際間中長(zhǎng)途交通系統(tǒng)融為一體，有助于實(shí)現(xiàn)城市繁雜交通系統(tǒng)的一體化解決。

    此外，稀土永磁材料也大量應(yīng)用于永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)、永磁偏置懸浮軸承、磁懸浮感應(yīng)電機(jī)等磁懸浮裝置。

    電磁/永磁復(fù)合EMS型結(jié)構(gòu)的懸浮電磁鐵采用了NdFeB永久磁體，不需要制冷系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，可以減少整個(gè)系統(tǒng)的功耗，在同等條件下，其同極的排斥力是鐵氧體的16倍，同時(shí)可以加大懸浮間隙，減輕軌道的精度要求，懸浮的可靠性和列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性增強(qiáng)。2004年10月22日，可乘坐32人、我國(guó)自主研制的永磁補(bǔ)償式磁懸浮技術(shù)驗(yàn)證車(chē)“中華01號(hào)”亮相大連，所用磁體為稀土永磁材料，采用車(chē)路一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，懸浮耗能幾乎為零，運(yùn)輸力與現(xiàn)行火車(chē)相當(dāng)，安全性大大提高。目前，我國(guó)正在大力推進(jìn)使用釹鐵硼磁體的永磁懸浮列車(chē)研究，可望在未來(lái)幾年內(nèi)建成時(shí)速約600km/h的磁懸浮列車(chē)專線。

    機(jī)器人、3D打印及相關(guān)智能制造受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，智能機(jī)器人已經(jīng)成為人類(lèi)改革世界的一大核心技術(shù)，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)是機(jī)器人的核心部件。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部，微型釹鐵硼磁鋼無(wú)處不在。有資訊可查，目前機(jī)器人用電機(jī)永磁同步伺服電機(jī)即釹鐵硼永磁電機(jī)是主流，伺服電機(jī)、控制器、傳感器和減速機(jī)是機(jī)器人控制系統(tǒng)和自動(dòng)化產(chǎn)品的核心部件。機(jī)器人的關(guān)節(jié)活動(dòng)靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，要求有非常大的功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低的慣量和平滑寬廣的調(diào)速范圍。特別是機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪），應(yīng)盡可能采用體小量輕的電動(dòng)機(jī)；要求快速響應(yīng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)還必須具有較大的短時(shí)過(guò)載能力；較高的可靠性及穩(wěn)定性是驅(qū)動(dòng)電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的先決條件。對(duì)此，稀土永磁電機(jī)最適合不過(guò)。有機(jī)構(gòu)測(cè)算，目前一臺(tái)165kg焊接機(jī)器人需要消耗25公斤左右的高性能釹鐵硼。中國(guó)也已經(jīng)將機(jī)器人列入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，中外資企業(yè)已在行動(dòng)之中布局機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，在人工智能和機(jī)器人領(lǐng)域投入了巨大的財(cái)力物力。

    在醫(yī)療方面，NdFeB磁體的出現(xiàn)，推動(dòng)了磁共振成像MRI的發(fā)展和小型化。永磁式RMI-CT核磁共振成像設(shè)備以往采用鐵氧體永磁，磁體重量高達(dá)50噸，采用釹鐵硼永磁材料后，每臺(tái)核磁共振成像儀僅需永磁體0.5～3噸，但磁場(chǎng)強(qiáng)度提高了一倍，大大提高了圖像清晰度，而且釹鐵硼永磁體型設(shè)備具有占地最少，磁通泄漏最小，運(yùn)行成本最低等優(yōu)點(diǎn)。作為醫(yī)用機(jī)器人的典型代表，康復(fù)機(jī)器人能夠幫助患者進(jìn)行科學(xué)有效的康復(fù)治療，高性能、高集成度的無(wú)刷直流電機(jī)是康復(fù)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的關(guān)鍵零部件，需要用高性能、耐高溫NdFeB永磁材料。

    電子束聚焦領(lǐng)域中稀土永磁的應(yīng)用主要是在各種質(zhì)譜儀、加速器及微波器件中。典型應(yīng)用為周期性永磁體（REPM），電子束或其它粒子束通過(guò)磁體進(jìn)行聚焦改變前進(jìn)方向等。目前美國(guó)裝備的愛(ài)國(guó)者防空導(dǎo)彈之所以能精準(zhǔn)攔截來(lái)襲目標(biāo)，得益于其制導(dǎo)系統(tǒng)中使用了大約4公斤的釤鈷磁體和釹鐵硼磁體，用于電子束聚焦。M1A2主戰(zhàn)坦克的導(dǎo)航定位系統(tǒng)使用稀土磁體，“民兵”洲際導(dǎo)彈、“三叉戟”導(dǎo)彈、“魚(yú)叉”反艦導(dǎo)彈、JDAM精確制導(dǎo)炸彈、“地獄火”導(dǎo)彈、“猛禽”F-22等都使用稀土磁體。

    磁電、電磁式儀表用NdFeB用量約占總應(yīng)用量的6%。應(yīng)用NdFeB永磁體磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并可以確保儀表磁系統(tǒng)中高磁通利用率和高磁通密度的一般要求。同時(shí)，NdFeB磁鋼體小量輕，可制成薄片狀，為槽型表、廣角表及特殊形狀儀表的微型化和精密化提供了改造的可能性。

    航空航天上，從神州系列飛船、探月工程嫦娥系列衛(wèi)星到太空火箭，都離不開(kāi)稀土永磁材料。釹鐵硼永磁體由于其突出的穩(wěn)定性、可靠性和最高的性能尺寸比在陀螺儀表和導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用。

    另外，NdFeB在油田除蠟、電子通訊、數(shù)控機(jī)床、家電設(shè)備等其他領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。

    隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)工藝水平的升級(jí)、專有設(shè)備的研發(fā)突破，我國(guó)研制生產(chǎn)的各種稀土永磁材料的性能已接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。隨著世界經(jīng)濟(jì)逐步復(fù)蘇，美洲和日本市場(chǎng)對(duì)中國(guó)高性能燒結(jié)釹鐵硼的需求劇增，我國(guó)多家釹鐵硼磁體材料生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品已進(jìn)入到日本、歐洲和美國(guó)等世界各國(guó)，有力推動(dòng)了我國(guó)對(duì)高端釹鐵硼產(chǎn)品的研發(fā)和市場(chǎng)上對(duì)鐵氧體的大規(guī)模替代，從而促進(jìn)了全球釹鐵硼的規(guī)模增長(zhǎng)。