“磁王”钕铁硼——稀土永磁材料中的朝阳产业

2017-01-26 11:28:48 作者：本网整理来源：朱明刚姜瑞姣科普中国分享至：

    钕铁硼永磁材料由于其优异的磁性能和较高的性价比，自问世以来，迅速成为稀土永磁市场中的主导者，其产值占据世界稀土永磁材料产值的90%，并且随着制备工艺和生产技术的不断改进，其各项性能不断提高，应用领域也在逐步扩展。因此，钕铁硼永磁材料应用量的多少已经成为现代化水平高低的标志，钕铁硼永磁材料依然是稀土材料产业中的朝阳产业。

    今天，就和小编一起认识一下这种新材料。

    一、永磁材料及其发展

    永磁材料是指在外磁场的作用下磁化至饱和并在去掉外磁场后仍能保持其磁性的一种功能材料，又被称为永磁材料或硬磁材料，通俗一点来讲，就是人们常说的“吸铁石”。早在战国时期发明的“司南”，便是利用了磁铁指南的作用来辨别方向。

图1 战国时期的司南

尽管人类对磁性材料的认识已有两千多年，但人造永磁体始于十世纪我国发明的磁化钢针，磁性材料的发展与应用取得重大进步始于十九世纪末二十世纪初。二十世纪初，人们主要使用钨钢、碳钢、铬钢和钴钢作永磁材料。二十世纪三十年代末，AlNiCo（铝镍钴）永磁材料开发成功，永磁材料开始大规模应用。五十年代，钡铁氧体出现，降低了永磁体成本，同时将永磁材料应用范围拓宽到高频领域。到六十年代，稀土钴永磁研发成功，永磁体的应用迈入了一个新的时代。1967年，美国Dayton大学的Strnat等成功制成SmCo5永磁体，标志着稀土永磁时代的到来。迄今为止，稀土永磁材料已经由第一代1:5型SmCo5，第二代沉淀硬化型Sm2Co17，发展到第三代Nd-Fe-B永磁材料。

此外，历史上曾被用作永磁材料的还有Cu-Ni-Fe、Fe-Co-V、Fe-Co-Mo、A1MnC、MnBi合金等，这些合金由于性能较差、性价比低，在大多数场合已很少采用。FeCrCo、AlNiCo、PtCo等合金依然应用于一些特殊场合。Ba、Sr铁氧体仍然是目前用量最大的永磁材料，但其在许多应用领域正逐渐被Nd-Fe-B类材料取代，当前稀土类永磁材料的产值已经远远超过铁氧体永磁材料，稀土永磁材料的生产已经发展成为一大产业。Nd-Fe-B已经成为目前应用最广的稀土永磁材料，也是迄今为止磁性最强的永磁材料。

图2 永磁材料的发展历史（1990-2015年）

    二、钕铁硼的特点及优势

    钕铁硼是一种由稀土金属钕、金属元素铁、非金属元素硼以及少量添加元素镨、镝、铌、铝、镓、铜等元素组成的稀土永磁化合物，简单来讲是一种磁铁，又称磁钢。钕铁硼永磁体磁性能优良，质轻价廉，应用范围广泛，被誉为“磁王”，是迄今为止性价比最高的磁体材料。

    钕铁硼永磁体具有大的磁晶各向异性场，磁极化强度高，理论磁能积为64MGOe，其磁性比十九世纪人们使用的磁钢的磁性能高100多倍，比平常的铁氧体、铝镍钴高10倍，比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍，其矫顽力和能量密度很高，大大降低了磁性材料零部件尺寸，推动了仪器仪表、电声电机、计算机、移动电话等设备的小型化、轻量化、薄型化及高效化，提高了产品的性能，而且促进了某些特殊器件的产生；钕铁硼具良好的机械特性，易于切削加工；其制备技术工艺比较成熟，居里温度约为580K，使用温度可达150℃；钕铁硼不含战略元素Co和Ni，原材料丰富，其很高的性价比，使得其自1983年钕铁硼问世，到2006年产量就猛增到55540吨，到2015年，更激增至13万吨左右。

    三、钕铁硼稀土永磁材料的应用

    钕铁硼永磁材料的出现促进了人类文明的进步，为社会经济发展做出了巨大的贡献。这类材料可以实现机械能与电磁能的相互转换功能，具有磁光效应、磁共振效应、磁力学效应、磁化学效应、磁生物效应、磁阻效应和霍尔效应等磁的各种物理效应，因而被制作成磁性功能器件广泛应用于计算机、交通、通讯、航空航天、工业自动化和医疗等领域。

    工业中使用的大量传统异步电机，在工作时，转子绕组要从电网吸收部分电能励磁，这部分电网电能最终以电流形式在转子绕组中发热消耗掉，该部分损耗约占电机总损耗的20~30%，使电机效率降低。永磁同步电机在转子上嵌入永磁体，由永磁体建立转子磁场，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流产生，不存在转子电阻损耗，只此一项可将电机效率提高4%~50%。由于永磁电机转子中无感应电流励磁，定子绕组有可能实现纯阻性负载，使电机功率因数几乎为1，大大提高了电网的品质因数，使电网中不再需要安装补偿器。同时，因永磁电机的高效率，也节约了电能。

    目前，稀土永磁电机是钕铁硼磁体最大的应用领域，约占磁体总应用量的70％，其种类繁多，形状、性能各异。计算机硬盘配套的音圈电机（VCM）占40％-50％，所以目前计算机产业是永磁电机的最大用户。将钕铁硼稀土永磁材料应用于各种电机的开发上，由永磁铁励磁，不存在转子损耗和摩擦，可以制成高效节能、质量轻、体积小、大转矩、低速驱动、平稳低噪、寿命长免维护的电机，明显减轻电机的质量，提高电机性能，再结合电力电子新技术，使得稀土永磁材料在电机中的应用可实现产品机电一体化，各种用途的新型稀土永磁电机进入了一个崭新的发展阶段。

    汽车工业是钕铁硼永磁应用增长最快的领域之一。在每辆汽车中，一般可以有几十个部位如引擎、制动器、传感器、仪表、音箱等会用到40～100颗NdFeB系及SmFeN系烧结磁体。据悉，一辆全自动高级轿车约需消耗稀土永磁材料0.5kg～3.5kg；新能源汽车上钕铁硼材料的应用量更多，每辆混合动力车（HEV）要比传统汽车多消耗约5KG钕铁硼，纯电动车（EV）采用稀土永磁电机替代传统发电机，多使用5～10KG钕铁硼。随着汽车工业的发展和电子技术要求的不断提高，其对钕铁硼永磁材料的需求量将越来越大。

    2015年，我国“永磁高铁”试运成功，采用稀土永磁同步牵引系统后，由于永磁电机直接励磁驱动，具有能量转换效率高、转速稳、噪声低、体积小、重量轻、可靠性等诸多特点，使得原来一列8节车厢的列车，由6节车厢装备动力减小到4节车厢装备动力，从而节省了2节车厢的牵引系统成本，提高了列车牵引效率，至少省电10%，列车的全寿命周期成本降低。

    地铁采用NdFeB稀土永磁牵引电机后，低速运行时系统噪音明显比异步电机低。永磁发电机使用全新封闭式通风电机设计结构，可以有效确保电机内部冷却系统干净清洁，免去了以往异步牵引电机裸露线圈带来的滤网堵塞清洁问题，使用更加安全可靠，维护更少；直驱式钕铁硼永磁电机的使用使得某些轨道交通可望在不久的将来去掉齿轮箱，给轨道交通牵引系统带来革命性变化。永磁牵引已经成为下一代世界轨道交通列车主流研究方向。

    近年来，磁悬浮飞机国际有限公司（Magplane International Ltd）在我国推介美国磁悬浮飞机系统。磁悬浮飞机系统采用钕铁硼永磁体，进行新型悬浮设计，是一种最新型地面轨道交通运输系统。每公里需配2辆磁悬浮飞机（列车），每一辆磁悬浮飞机（列车）将使用约10吨烧结钕铁硼材料。该系统通过优化各类交通资源和集合多样性技术特征，降低造价和运行成本，实现了智能化、大容量和高速的统一。若磁悬浮飞机系统投入实际应用，可使市内短程交通系统与城际间中长途交通系统融为一体，有助于实现城市繁杂交通系统的一体化解决。

    此外，稀土永磁材料也大量应用于永磁悬浮风力发电机、永磁偏置悬浮轴承、磁悬浮感应电机等磁悬浮装置。

    电磁/永磁复合EMS型结构的悬浮电磁铁采用了NdFeB永久磁体，不需要制冷系统，结构简单，造价低，可以减少整个系统的功耗，在同等条件下，其同极的排斥力是铁氧体的16倍，同时可以加大悬浮间隙，减轻轨道的精度要求，悬浮的可靠性和列车运行的平稳性增强。2004年10月22日，可乘坐32人、我国自主研制的永磁补偿式磁悬浮技术验证车“中华01号”亮相大连，所用磁体为稀土永磁材料，采用车路一体化设计结构，悬浮耗能几乎为零，运输力与现行火车相当，安全性大大提高。目前，我国正在大力推进使用钕铁硼磁体的永磁悬浮列车研究，可望在未来几年内建成时速约600km/h的磁悬浮列车专线。

    机器人、3D打印及相关智能制造受到人们越来越多的关注，智能机器人已经成为人类改革世界的一大核心技术，而驱动电机是机器人的核心部件。在驱动系统内部，微型钕铁硼磁钢无处不在。有资讯可查，目前机器人用电机永磁同步伺服电机即钕铁硼永磁电机是主流，伺服电机、控制器、传感器和减速机是机器人控制系统和自动化产品的核心部件。机器人的关节活动靠驱动电机来实现，要求有非常大的功率质量比和扭矩惯量比、高的起动转矩、低的惯量和平滑宽广的调速范围。特别是机器人末端执行器（手爪），应尽可能采用体小量轻的电动机；要求快速响应时，驱动电机还必须具有较大的短时过载能力；较高的可靠性及稳定性是驱动电机在工业机器人中应用的先决条件。对此，稀土永磁电机最适合不过。有机构测算，目前一台165kg焊接机器人需要消耗25公斤左右的高性能钕铁硼。中国也已经将机器人列入国家发展战略规划，中外资企业已在行动之中布局机器人产业，在人工智能和机器人领域投入了巨大的财力物力。

    在医疗方面，NdFeB磁体的出现，推动了磁共振成像MRI的发展和小型化。永磁式RMI-CT核磁共振成像设备以往采用铁氧体永磁，磁体重量高达50吨，采用钕铁硼永磁材料后，每台核磁共振成像仪仅需永磁体0.5～3吨，但磁场强度提高了一倍，大大提高了图像清晰度，而且钕铁硼永磁体型设备具有占地最少，磁通泄漏最小，运行成本最低等优点。作为医用机器人的典型代表，康复机器人能够帮助患者进行科学有效的康复治疗，高性能、高集成度的无刷直流电机是康复机器人电机驱动关节的关键零部件，需要用高性能、耐高温NdFeB永磁材料。

    电子束聚焦领域中稀土永磁的应用主要是在各种质谱仪、加速器及微波器件中。典型应用为周期性永磁体（REPM），电子束或其它粒子束通过磁体进行聚焦改变前进方向等。目前美国装备的爱国者防空导弹之所以能精准拦截来袭目标，得益于其制导系统中使用了大约4公斤的钐钴磁体和钕铁硼磁体，用于电子束聚焦。M1A2主战坦克的导航定位系统使用稀土磁体，“民兵”洲际导弹、“三叉戟”导弹、“鱼叉”反舰导弹、JDAM精确制导炸弹、“地狱火”导弹、“猛禽”F-22等都使用稀土磁体。

    磁电、电磁式仪表用NdFeB用量约占总应用量的6%。应用NdFeB永磁体磁系统结构简单并可以确保仪表磁系统中高磁通利用率和高磁通密度的一般要求。同时，NdFeB磁钢体小量轻，可制成薄片状，为槽型表、广角表及特殊形状仪表的微型化和精密化提供了改造的可能性。

    航空航天上，从神州系列飞船、探月工程嫦娥系列卫星到太空火箭，都离不开稀土永磁材料。钕铁硼永磁体由于其突出的稳定性、可靠性和最高的性能尺寸比在陀螺仪表和导航系统中发挥着不可替代的作用。

    另外，NdFeB在油田除蜡、电子通讯、数控机床、家电设备等其他领域也有广泛应用。

    随着国内技术工艺水平的升级、专有设备的研发突破，我国研制生产的各种稀土永磁材料的性能已接近或达到国际先进水平。随着世界经济逐步复苏，美洲和日本市场对中国高性能烧结钕铁硼的需求剧增，我国多家钕铁硼磁体材料生产企业的产品已进入到日本、欧洲和美国等世界各国，有力推动了我国对高端钕铁硼产品的研发和市场上对铁氧体的大规模替代，从而促进了全球钕铁硼的规模增长。