稀土永磁材料的磁性能穩定性研究及改進措施

摘要：稀土永磁材料是實現家用電器（如空調、冰箱等）或其他電氣設備（如牽引電機、發電機、燃料電池、混合動力汽車、風力電機）等高性能化、小型化、高效化的關鍵材料之一。分析了影響稀土永磁材料磁性能穩定性的主要因素，綜述了溫度、外部磁場和時間衰減對磁性能穩定性影響的研究現狀，并提出了通過材料成分優化、微觀結構調控和表面處理技術等方法改善稀土永磁材料磁性能穩定性的措施，為稀土永磁材料的研究和應用提供參考。

關鍵詞：稀土永磁材料；磁性能穩定性；改進措施

稀土永磁材料憑借其高剩磁、高矯頑力和高最大磁能積等優異的磁性能，在新能源、節能環保、信息技術等領域得到廣泛應用。然而，在實際應用中，稀土永磁材料的磁性能往往因受到溫度、外磁場、時間等因素的影響而發生變化，導致磁性能不穩定，嚴重時甚至會引發安全事故。因此，深入研究影響稀土永磁材料磁性能穩定性的機理，采取有效措施提高磁性能穩定性，對拓展稀土永磁材料的應用范圍，發揮稀土永磁材料的優良特性具有重要意義。

1影響磁性能穩定性的主要因素

稀土永磁材料的磁性能穩定性是指在一定環境條件下，材料的磁性參數保持恒定的能力。影響稀土永磁材料磁性能穩定性的因素多種多樣，既有內部因素，也有外部因素。（1）內部因素主要包括材料的化學成分、晶體結構、顯微組織等。不同的稀土元素和過渡元素組成對材料的居里溫度、晶體各向異性、磁滯特性等有顯著影響，進而影響材料在不同溫度、外磁場環境下的磁性能穩定性。此外，晶粒尺寸、晶粒取向、界面結構等微觀組織特征也會影響材料的矯頑力、磁滯損耗等，從而影響磁性能的穩定性。（2）外部因素主要包括工作環境溫度、外加磁場強度、負載應力以及時間等。溫度升高會導致材料矯頑力下降，剩磁減小，高溫下甚至會引起不可逆退磁；外加反向磁場會克服材料的矯頑力，造成磁化強度下降；在交變應力作用下，材料會產生磁彈效應和磁致伸縮效應，引起磁化強度和矯頑力的變化；隨著時間的延長，在一定溫度或應力條件下，材料會發生磁黏滯現象，導致磁性能逐漸衰退。

2稀土永磁材料磁性能穩定性的研究現狀

2.1溫度對磁性能穩定性的影響研究

溫度是影響稀土永磁材料磁性能穩定性的重要因素之一。一般來說，隨著溫度的升高，材料的矯頑力會逐漸下降，剩余磁化強度也會減小。當溫度超過某一臨界值時，材料會發生不可逆退磁，致使磁性能嚴重衰退。已有大量研究探討了溫度對Nd-Fe-B、Sm-Co等不同體系稀土永磁材料磁性能的影響規律［1］。Wu等通過理論計算和實驗研究發現，Nd-Fe-B永磁體的矯頑力與溫度呈線性關系，溫度每升高100 ℃，矯頑力下降約10%。Li等研究了Sm-Co永磁體在不同溫度下的磁滯回線變化，發現在300 ℃以下，該材料表現出優異的抗溫降性能，但溫度超過400 ℃時，材料發生明顯的不可逆磁性能衰減。進一步研究表明，提高Sm-Co永磁體中Sm含量，并優化微觀組織，可顯著改善材料的高溫磁性能穩定性。在此基礎上，Tang等通過固熔體強化、晶界擴散等方法，成功制備出在400 ℃以上仍能保持優異矯頑力的Sm-Co永磁體，拓寬了Sm-Co永磁體的應用溫度范圍。

2.2外部磁場對磁性能穩定性的影響研究

外加磁場也會對稀土永磁材料的磁性能產生顯著影響，尤其是在強磁場或交變磁場環境下，材料更容易發生不可逆磁化強度損失。Liu等研究了外加反向磁場對Nd-Fe-B燒結永磁體矯頑力的影響，發現隨著反向磁場強度的增大，材料的矯頑力明顯下降，當反向磁場超過某一臨界值時，材料發生不可逆磁化強度損失。為了提高Nd-Fe-B永磁體的耐反向磁場能力，Yan等采用晶界擴散技術，在Nd-Fe-B基體中引入Dy、Tb等重稀土元素，顯著提高了材料在反向磁場下的矯頑力穩定性。Wang等以Sm-Fe-N為研究對象，系統探討了不同外加磁場下材料的磁滯回線、剩磁和矯頑力的變化規律，發現在500 kA/m以下的外加磁場中，材料表現出優異的磁穩定性，但隨著外加磁場進一步增大，材料逐漸發生不可逆磁性能衰減。為了提高材料的抗退磁能力，研究人員優化Sm-Fe-N永磁體的微觀組織和元素組成，成功制備出在1 000 kA/m反向磁場下仍能保持優異磁性能的新型永磁材料。這些研究成果為稀土永磁材料在強磁場環境下的應用奠定了重要基礎。

2.3時間衰減對磁性能穩定性的影響研究

時間衰減是稀土永磁材料在長期使用過程中不可忽視的問題。在常溫常磁場條件下，稀土永磁材料的磁性能會隨時間推移而發生衰減，主要表現為磁化強度和矯頑力的下降。這主要是在環境溫度、應力等外部條件的長期作用下，材料內部發生的擴散、相變等微觀組織演變所致。Zhang等采用長期衰減實驗和微觀組織表征，研究了Nd-Fe-B燒結永磁體的磁性能隨時間變化規律，發現在室溫條件下，材料的剩余磁化強度在最初1 000 h內下降較快，而后趨于平緩，10 000 h后下降約5%；矯頑力的衰減更為顯著，10 000 h后下降約15%。微觀組織分析表明，磁性能衰減主要源于晶界相的演變和α-Fe相的析出。為了提高Nd-Fe-B永磁體的長期使用穩定性，Hu等采用晶界擴散技術，優化晶界相組成，提高晶界的熱穩定性，從而有效抑制了磁性能隨時間的衰減。Liu等以Sm-Co永磁體為對象，研究了不同溫度條件下材料磁性能的時間衰減行為，發現在高于300 ℃時，材料的時間衰減速率明顯加快，400 ℃時1 000 h后剩磁和矯頑力分別下降約10%和20%。通過優化Sm-Co永磁體的微觀組織，提高晶界的擴散阻力，可以顯著改善材料的長期熱穩定性。上述研究加深了人們對稀土永磁材料時間衰減機理的認識，為進一步提高材料的長期使用穩定性提供了重要指導。

3稀土永磁材料磁性能穩定性的改進措施

3.1材料成分優化

針對不同的應用環境，優化稀土永磁材料的元素組成是提高磁性能穩定性的重要手段。在Nd-Fe-B永磁體中，通過添加Dy、Tb等重稀土元素，可以顯著提高材料的居里溫度和矯頑力，改善高溫磁穩定性。但重稀土元素價格昂貴，會大幅增加材料成本。為了在保證磁性能的同時降低成本，可以采用添加Co、Ga、Al等元素部分替代Nd的方法，在提高矯頑力的同時，還能改善材料的溫度穩定性。例如，用Co取代部分Fe，可以提高材料的居里溫度，改善高溫磁性能；添加適量Ga、Al等元素，可以細化晶粒，增強晶界擴散阻力，提高材料抵抗外場和溫度變化的能力。在Sm-Co永磁體中，通過調整Sm/Co比例，優化合金相組成，可以顯著提高材料的矯頑力和最大磁能級。添加適量Fe、Cu、Zr等元素，可以起到細化晶粒、強化晶界的作用，進一步提高材料的綜合磁性能。同時，采用雙主相甚至多主相復合策略，可以在擴大矯頑力范圍的同時，提高材料的磁滯特性，改善在外加磁場下的穩定性。因此，磁性能穩定性的提高需要在深入認識材料組分結構性能關系的基礎上，有針對性地優化材料配方，平衡磁性能與穩定性的關系。

3.2微觀結構調控

稀土永磁材料的宏觀磁性能是其微觀結構的外在體現。因此，調控材料的微觀結構是提高其磁穩定性的另一重要途徑。晶粒尺寸、晶界結構、晶體取向和缺陷類型等因素都會對材料的矯頑力、剩磁和磁滯損耗產生影響，進而影響磁性能的穩定性［2］。例如，減小Nd-Fe-B永磁體的晶粒尺寸，可以顯著提高矯頑力，改善抗反向磁場能力；優化晶界相的組成和分布，提高晶界擴散阻力，可以降低在高溫或應力環境下的磁性能衰減；控制晶粒取向，使易磁化軸取向一致，有助于減小外加磁場對剩磁的影響；減少材料內部的孔洞、裂紋等缺陷，可以降低外加應力導致的磁彈損耗。在Sm-Co永磁體中，通過優化熱處理工藝，調控合金相結構，既可以細化晶粒，提高矯頑力，又可以獲得合適的鐵磁相順磁相比例，改善磁滯特性，提高其在循環磁場下的穩定性。采用定向凝固、壓縮磁場成型等手段，可以獲得擇優取向的Sm-Co永磁體，在提高最大磁能積的同時，還能減小外磁場對剩磁的影響。因此，在新型稀土永磁材料的開發和制備過程中，必須充分認識微觀結構與磁性能之間的關聯機制，有針對性地調控關鍵微結構參數，最大限度提高材料的磁穩定性。

3.3表面處理技術

對稀土永磁材料進行表面處理和改性，也是提高其磁穩定性的有效方法。由于稀土元素化學活性高，容易被腐蝕氧化，導致表面磁性能劣化。此外，永磁體表面的缺陷和應力集中也會誘發局部退磁，加速磁性能衰減［3］。因此，在永磁材料表面形成致密、均勻、耐腐蝕的保護層，對提高磁穩定性至關重要。目前，常用的表面處理技術包括電鍍、化學鍍、濺射、離子注入等。其中，鎳、鋅等金屬電鍍層可以有效隔絕水氧，防止稀土永磁體被腐蝕；在鍍層中添加鉬、鉻等元素，還可以提高耐磨性和耐熱性。等離子濺射陶瓷涂層如氮化鈦、碳化鎢等，具有優異的抗氧化性能，可以顯著提高永磁材料在高溫環境下的化學穩定性。采用等離子濺射還可以實現涂層元素的梯度分布，降低涂層與基體的熱膨脹失配，提高涂層結合強度。離子注入可以在永磁體表面形成一層富含氮、碳等元素的非晶層，消除表面缺陷，釋放殘余應力，從而減緩局部退磁，延緩磁性能衰減。值得注意的是，在進行表面處理時，應注意工藝參數的優化，盡量減小對基體磁性能的影響，表面處理與基體成分、組織調控相結合，協同優化，可以進一步增強稀土永磁材料的綜合性能，擴大其應用領域。

4結語

當前，雖然稀土永磁材料的磁性能穩定性研究取得了長足進展，但其作用機理認識的深度和廣度、制備工藝的可控性和穩定性等方面還有待進一步加強。特別是面對信息技術、新能源等領域對高穩定性永磁材料的迫切需求，必須加快基礎研究和應用開發，加強產學研用協同創新，突破關鍵核心技術，提高稀土永磁材料的工程化制備水平和綜合性能，推動其在國民經濟和國防建設領域發揮更大作用。

參考文獻：

［1］郭函，宋瑞芳，孫旭，等.SmFe12基稀土永磁材料結構穩定性和磁性能的第一性原理計算［J］.中國稀土學報，2023，41（4）：742-747.

［2］劉凌旗，李遷，岳明.納米結構稀土永磁材料的制備及表征研究進展［J］.金屬功能材料，2023，30（1）：10-25.

［3］崔剛，熊斌，阮琳，等.驅動電機用高性能釹鐵硼永磁材料不可逆失磁擴散特性研究［J］.中國稀土學報，2023，41（4）：725-735.

作者簡介：程春東，男，山東海陽人，工程師，本科，研究方向：稀土永磁材料及磁性元器件研發。