型各向异性稀土永磁材料产业化开发进展

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1、新型各向异性稀土永磁材料产业化开发进展杨应昌北京大学物理学院应用磁学中心摘要本文重点讨论稀土-铁-氮各向异性新型永磁材料。稀土－铁－氮永磁材料的化学通式为RxFeyNz，R代表稀土元素。它包括两类化学成分和晶体结构都不相同的材料：（1）Nd(Fe,M)12Nx或Pr(Fe,M)12Nx，其中M=Ti、V、Mo等，具有ThMn12型四方晶体结构，这类材料通称钕铁氮；（2）Sm2Fe17Nx，具有Th2Zn17型菱方晶体结构，简称钐铁氮。稀土铁氮新材料产业化的优势是；（1）根据所发现的新效应而发明的新材料，其成分和结构都与现有的磁性材料不同，取得了包括美国、

2、日本和欧洲等国内外发明专利；（2）开发了成熟的产业化技术，磁粉的最大磁能积高达40兆高奥，接近现有商品钕铁硼磁粉的3倍，但材料成本不足钕铁硼磁粉的三分之一；（3）产品已有明确的市场定位。一、引言稀土永磁材料是稀土产业中的重要支柱。稀土永磁材料的主导产品是钕铁硼，但是从当前技术发展的需求来看，钕铁硼有局限性，对钕铁硼要一分为二。磁体有两类：烧结磁体和粘结磁体。钕铁硼烧结磁体是各向异性的，并且是全密度磁体，所以磁性能是永磁之冠，应用日益广泛。但是钕铁硼粘结磁体是各向同性的，电器小型化的发展趋势要求开发高磁能积的粘结磁体，日益凸显钕铁硼粘结磁体的不足：（1）性

3、能局限性：磁粉是各向同性的，最大磁能积不过16兆高奥；（2）成型工艺的局限性：钕铁硼快淬磁粉主要用于制作压缩粘结磁体，其产量仅占总粘结磁体产量的3%，其它都是低性能的铁氧体粘结磁体。而更广阔的粘结磁体市场如高性能注射磁体和柔性橡胶磁体亟待开发。为了满足计算机、电机等产品的小型化和高性能化以及低碳经济的发展要求，开发和生产高性能的各向异性稀土粘结磁体是当前世界永磁材料领域开发前沿的生长点和竞争点。此外，长期以来我国的稀土永磁材料产业的发展受到国外知识产权的制约，作为稀土资源大国，更需要争得先机、开发具有自主知识产权的各向异性稀土粘结磁体的新材料。7在开发新

4、型各向异性稀土粘结磁体方面，我国具有自己的优势和研究基础。20年来，国际上开发的新型各向异性稀土粘结磁体有两个途径：(1)开发新材料：研究稀土铁氮新型永磁材料，制造单晶颗粒各向异性磁粉。(2)开发新工艺：制造具有织构的钕铁硼各向异性磁粉，包括制备钕铁硼HDDR各向异性磁粉和热挤压各向异性磁粉。从产业化技术的成熟程度、新材料的性能价格比和知识产权的保障上，稀土铁氮，特别是钐铁氮的产业化具有明显的优势。二、新型稀土永磁材料钐铁氮的研究基础和产业化优势（一）、这不是跟踪国外技术，而是基于我们长年的基础研究所发现的新效应（在稀土－铁合金中氮的间隙原子效应）、发明

5、的新材料（钕铁氮和钐铁氮）和开发的新工艺（制造微米单晶颗粒磁粉）来生产的新型稀土永磁材料，国际同行公认我国是研发稀土铁氮新材料的先驱者，无论是钕铁氮还是钐铁氮都相继取得了包括美国、日本和欧洲等国内外发明专利。1990年发现了在稀土铁合金中的氮化效应（1-2）：通过气-固相反应，把氮原子加入到R(Fe,M)12,M=Ti,V,Mo…或…Sm2Fe17中，形成相应的氮化物R(Fe,M)12NxSm2Fe17Nx。发现氮化物的磁性得到全面的、大幅度提高，表1是氮化前后内禀磁性居里温度Tc（K）、饱和磁化强度Ms(emu/g)和磁晶各向异性场Ha(kOe)的对比

6、。表1氮化前后内禀磁性居里温度Tc（K）、饱和磁化强度Ms(emu/g)和磁晶各向异性场Ha(kOe)的对比新材料Tc(K)Ms(emu/g)1.5K300KHa(kOe)1.5K300KNdFe11Ti570149132基面基面NdFe11TiNx74015914511585Sm2Fe17Nx395150105基面基面Sm2Fe17Nx7491601491701207上述氮化物的内禀磁性完全可以和被誉为永磁之王的钕铁硼媲美，甚至更好，表2是钕铁氮和钐铁氮的内禀磁性与钕铁硼的比较。表2钕铁氮和钐铁氮的内禀磁性与钕铁硼的比较新材料Tc(K)Ms(emu/g

7、)1.5K300KHa(KOe)1.5K300KNdFe11TiNx74015914011585PrFe10.7V1.3Nx820165153163108Sm2Fe17Nx749160149170120Nd2Fe14B578153142Cone90高单轴各向异性场和高饱和磁化强度是开发高矫顽力、高剩余磁感应强度和高磁能积的永磁材料的必要条件，氮化效应为开发新型稀土永磁材料提供了崭新的源头。另一方面，氮化效应从自发磁化的理论上也提出了一个新问题：为什么非磁性的氮原子加入到磁性合金中可以提高合金的磁性？我们研究了氮化效应的起源，在国际上首次利用中子衍射技术测

8、定了钐铁氮和钕铁氮等氮化物的晶体结构(3-4)，发现氮在这些结构中都是占据特定的