稀土元素因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在現(xiàn)代工業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色，被比喻為“現(xiàn)代工業(yè)維生素” 這些元素在永磁材料中的應(yīng)用尤為突出，特別是在新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電、節(jié)能家電等行業(yè)。

早期的永磁材料是以鐵和鐵族元素為重要組元的合金型永磁材料，又稱永磁合金。主要包括鋁鎳鈷（AlNiCo）和鐵鉻鈷（FeCrCo）系2類永磁合金。20世紀(jì)初，通過鑄造工藝制備而成，也稱鑄造永磁材料。

◎1880年前后，先采用碳鋼制成了永磁材料，最大磁能積（BHmax）約為1.6 kJ/m3。后發(fā)展為鎢鋼、鈷鋼等金屬永磁材料。

◎1931年，研發(fā)出了鐵鎳鋁合金（Fe-Ni-Al），矯頑力超過400 Oe，后在此基礎(chǔ)上添加了鈷銅鈦（Co、Cu、Ti）等元素。通過在鐵中添加了鋁鎳鈷（Al、Ni 、Co）3種元素，經(jīng)澆注和熱處理后得到鋁鎳鈷系磁鋼，即著名的鋁鎳鈷磁體（AlNiCo）。

◎1947年，鐵氧體永磁材料的開發(fā)降低了永磁體的成本，拓寬了其應(yīng)用范圍，特別是對于高頻領(lǐng)域和中大功率電動機(jī)的應(yīng)用。

◎1960年，釤鈷（SmCo）永磁材料的開發(fā)（最初是RCo5，后來發(fā)展為R2Co17），標(biāo)志著永磁材料的一個新時代，這種材料具有高磁能積和良好的高溫穩(wěn)定性，使得電機(jī)可以在較小的體積內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，從而提高了電機(jī)的效率和功率密度。

◎1980年，釹鐵硼（NdFeB）永磁材料的發(fā)明，因其優(yōu)異的磁性能和相對較低的成本，迅速成為“磁王”，它使得電機(jī)在重量和體積上進(jìn)一步減小，同時保持和提高磁性能，在許多領(lǐng)域取代了釤鈷材料。

目前的新能源汽車常使用的稀土永磁體就是基于釹鐵硼（NdFeB）材料，其基礎(chǔ)化學(xué)式為Nd2Fe14B，晶體結(jié)構(gòu)是六方晶系，具有極高的磁晶各向異性，這使得材料在磁化后能保持強(qiáng)磁場而不易失去磁性，具有高磁能積和高矯頑力，非常適合用于電動汽車的驅(qū)動電機(jī)。由于稀土永磁體的高強(qiáng)度磁場，即使在小型化的電機(jī)中也能實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換，這也使得永磁電機(jī)成為新能源汽車的理想選擇。

永磁電機(jī)的工作原理是基于電磁學(xué)的基本定律。在永磁同步電機(jī)（PMSM）中，永磁體通常安裝在轉(zhuǎn)子上，而定子則由繞組構(gòu)成。當(dāng)電流通過定子繞組時，會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。由于永磁體具有固有的磁場，它們會試圖與定子磁場對齊，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。電機(jī)的速度和方向可以通過改變施加給定子繞組的電流的頻率和相位來控制。

那釹鐵硼永磁材料對于永磁電機(jī)到底有多少提升呢？

前面我們提到過磁能積，釹鐵硼具有極高的磁能積，這意味著可以產(chǎn)生更強(qiáng)大的磁場。這直接轉(zhuǎn)化為電機(jī)更高的功率密度和效率，允許電機(jī)在更小的體積和重量下工作，這很貼合當(dāng)前新能源電機(jī)的小型化趨勢。

還有前面提過的矯頑力是指材料抵抗外部磁場去磁的能力。釹鐵硼具備高矯頑力，使得它能在強(qiáng)磁場環(huán)境中保持磁性，這對于在復(fù)雜電磁環(huán)境下的電機(jī)運(yùn)行至關(guān)重要。而且釹鐵硼的力能指標(biāo)也不錯，力能指標(biāo)是衡量電機(jī)在單位質(zhì)量下輸出的力的量度。釹鐵硼永磁電機(jī)的力能指標(biāo)是優(yōu)于傳統(tǒng)電機(jī)的，這也使其成為高功率密度應(yīng)用的理想選擇。此外，釹鐵硼永磁材料還允許電機(jī)設(shè)計(jì)更大的氣隙，這簡化了電機(jī)的裝配，也提高了容錯率，還能減少電機(jī)噪聲。

盡管釹鐵硼永磁材料性能優(yōu)越，但其熱穩(wěn)定性相對較差，居里溫度（材料失去永磁性的溫度）較低，大約在310°C左右。在高溫環(huán)境下，釹鐵硼的磁性能會顯著下降，甚至發(fā)生磁性損失。

一般釹鐵硼的工作溫度為80°C到200°C，在溫度上升時，釹鐵硼的磁強(qiáng)度會逐漸降低。一般而言，每升高1攝氏度，釹鐵硼的磁強(qiáng)度會降低約0.11%。但是，如果溫度不超過釹鐵硼的最高工作溫度，這種磁性損失是可逆的，冷卻后磁性能可以恢復(fù)。

釹鐵硼有不同的耐溫等級，這取決于其配方和制造工藝。常見的耐溫等級包括N（標(biāo)準(zhǔn)級）、M、H、SH、UH、EH或AH，對應(yīng)的最高工作溫度從大約80°C到230°C不等。N系列的釹鐵硼標(biāo)準(zhǔn)耐溫約為80°C，而在高溫環(huán)境下工作的釹鐵硼（如EH或AH級）可以承受高達(dá)200°C以上的溫度。

當(dāng)然熱穩(wěn)定性可以通過多種方式得到改善，例如在制造過程中添加一些稀土元素，但能夠在 120°C 以上工作的釹磁材料會變得非常昂貴，例如在釹鐵硼合金中添加鏑（Dy）或鋱（Tb）等重稀土元素可以顯著提高其熱穩(wěn)定性。這些元素可以替換部分釹原子，形成更穩(wěn)定的相，從而提高矯頑力和居里溫度，但這些元素不僅價格更高，而且供應(yīng)量也有限，成本的增加不言而喻。

■圖片來源：勝德磁業(yè)

此前，在在NE時代2024xEV電驅(qū)動論壇期間，金龍稀土和正海磁材的演講中都提到過技術(shù)，旨在通過將這些元素滲透到晶界，來提升磁體的矯頑力，而不需過多依賴昂貴的重稀土元素

也可以減小晶粒尺寸到納米級別來增加材料內(nèi)部的界面，從而提高磁體的熱穩(wěn)定性和抗退磁能力。亦或者采用表面處理（如鋅、鎳、電泳、鈍化等）來增加氧化層，從而提高釹磁鐵的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。

當(dāng)前很多企業(yè)都在強(qiáng)調(diào)減少對高價稀土元素的依賴，比如探索鈰基磁體等替代材料，（鈰（Ce）是一種相對較便宜且儲量豐富的稀土元素，相比鏑（Dy）和鋱（Tb）等其他稀土元素，鈰的價格更加穩(wěn)定），釤鐵氮磁體可以制成粘結(jié)磁體，通過將釤鐵氮磁粉與粘接劑混合，可以制備出具有設(shè)計(jì)靈活性的高性能粘結(jié)磁體，適用于各種形狀和尺寸的磁路設(shè)計(jì)。

稀土鐵碳（Re-Fe-C）永磁材料：另一種正在研究的第四代材料，它的目標(biāo)是通過碳的加入來改進(jìn)磁性能和成本效益，同時減少對某些稀有且昂貴的稀土元素的依賴，但是目前，稀土鐵碳磁體的磁性能，尤其是在高溫度下的穩(wěn)定性，還不足以與高性能的釹鐵硼磁體相媲美。

回收與再利用也是目前的大方向之一，開發(fā)高效的磁體回收技術(shù)，包括機(jī)械破碎、化學(xué)溶解和磁選等，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。

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