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稀土科技
“奇妙”的釹鐵硼永磁材料
發布時間:2017-05-08 16:17:43 瀏覽:

釹鐵硼永磁材料由于其優異的磁性能和較高的性價比,自問世以來,迅速成為稀土永磁市場中的主導者,其產值占據世界稀土永磁材料產值的90%,并且隨著制備工藝和生產技術的不斷改進,其各項性能不斷提高,應用領域也在逐步擴展。因此,釹鐵硼永磁材料應用量的多少已經成為現代化水平高低的標志,釹鐵硼永磁材料依然是稀土材料產業中的朝陽產業。

今天,就和小編一起認識一下這種新材料。

如果說飛機的發明實現了人類像鳥一樣“飛翔”的夢想,那么這種比飛機還要快近一倍的“瘋狂”的“地面火箭”,是否可以讓人類再次夢想成真呢?

這個答案我們尚且不去定論。按照目前的科技發展,要想在接近真空的管道內實現接近音速的速度,目前的可行性方案只有真空磁懸浮技術。

何為真空磁懸浮技術?簡單來講,就是建造一條與外部空氣隔絕的管道,將管內抽為真空后,在其中運行磁懸浮列車等交通工具,由于沒有空氣摩擦的阻礙,列車將運行至令人瞠目結舌的高速,大大縮短地球表面任意地點間的時空阻隔。

而稀土永磁材料,則是承載這項技術的一個重要支點。其“永磁”特性是超級高鐵速度提升的關鍵。在真空磁懸浮技術的前提下,列車和軌道采用稀土永磁材料,是很有可能達到超級高鐵預想的速度(接近音速)!

那么,稀土永磁材料到底是什么?為什么會有如此神奇的特性?讓我們一起來揭開它的神秘面紗!

一、永磁材料及其發展

永磁材料是指在外磁場的作用下磁化至飽和并在去掉外磁場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,通俗一點來講,就是人們常說的“吸鐵石”。早在戰國時期發明的“司南”,便是利用了磁鐵指南的作用來辨別方向。

圖1 戰國時期的司南

盡管人類對磁性材料的認識已有兩千多年,但人造永磁體始于十世紀我國發明的磁化鋼針,磁性材料的發展與應用取得重大進步始于十九世紀末二十世紀初。二十世紀初,人們主要使用鎢鋼、碳鋼、鉻鋼和鈷鋼作永磁材料。二十世紀三十年代末,AlNiCo(鋁鎳鈷)永磁材料開發成功,永磁材料開始大規模應用。五十年代,鋇鐵氧體出現,降低了永磁體成本,同時將永磁材料應用范圍拓寬到高頻領域。到六十年代,稀土鈷永磁研發成功,永磁體的應用邁入了一個新的時代。1967年,美國Dayton大學的Strnat等成功制成SmCo5永磁體,標志著稀土永磁時代的到來。迄今為止,稀土永磁材料已經由第一代1:5型SmCo5,第二代沉淀硬化型Sm2Co17,發展到第三代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、性價比低,在大多數場合已很少采用。FeCrCo、AlNiCo、PtCo等合金依然應用于一些特殊場合。Ba、Sr鐵氧體仍然是目前用量最大的永磁材料,但其在許多應用領域正逐漸被Nd-Fe-B類材料取代,當前稀土類永磁材料的產值已經遠遠超過鐵氧體永磁材料,稀土永磁材料的生產已經發展成為一大產業。Nd-Fe-B已經成為目前應用最廣的稀土永磁材料,也是迄今為止磁性最強的永磁材料。

圖2 永磁材料的發展歷史(1990-2015年)

二、釹鐵硼的特點及優勢

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,簡單來講是一種磁鐵,又稱磁鋼。釹鐵硼永磁體磁性能優良,質輕價廉,應用范圍廣泛,被譽為“磁王”,是迄今為止性價比最高的磁體材料。

釹鐵硼永磁體具有大的磁晶各向異性場,磁極化強度高,理論磁能積為64MGOe,其磁性比十九世紀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,推動了儀器儀表、電聲電機、計算機、移動電話等設備的小型化、輕量化、薄型化及高效化,提高了產品的性能,而且促進了某些特殊器件的產生;釹鐵硼具良好的機械特性,易于切削加工;其制備技術工藝比較成熟,居里溫度約為580K,使用溫度可達150℃;釹鐵硼不含戰略元素Co和Ni,原材料豐富,其很高的性價比。

三、釹鐵硼稀土永磁材料的應用

釹鐵硼永磁材料的出現促進了人類文明的進步,為社會經濟發展做出了巨大的貢獻。這類材料可以實現機械能與電磁能的相互轉換功能,具有磁光效應、磁共振效應、磁力學效應、磁化學效應、磁生物效應、磁阻效應和霍爾效應等磁的各種物理效應,因而被制作成磁性功能器件廣泛應用于計算機、交通、通訊、航空航天、工業自動化和醫療等領域。

工業中使用的大量傳統異步電機,在工作時,轉子繞組要從電網吸收部分電能勵磁,這部分電網電能最終以電流形式在轉子繞組中發熱消耗掉,該部分損耗約占電機總損耗的20~30%,使電機效率降低。永磁同步電機在轉子上嵌入永磁體,由永磁體建立轉子磁場,在正常工作時轉子與定子磁場同步運行,轉子中無感應電流產生,不存在轉子電阻損耗,只此一項可將電機效率提高4%~50%。由于永磁電機轉子中無感應電流勵磁,定子繞組有可能實現純阻性負載,使電機功率因數幾乎為1,大大提高了電網的品質因數,使電網中不再需要安裝補償器。同時,因永磁電機的高效率,也節約了電能。

目前,稀土永磁電機是釹鐵硼磁體最大的應用領域,約占磁體總應用量的70%,其種類繁多,形狀、性能各異。計算機硬盤配套的音圈電機(VCM)占40%-50%,所以目前計算機產業是永磁電機的最大用戶。將釹鐵硼稀土永磁材料應用于各種電機的開發上,由永磁鐵勵磁,不存在轉子損耗和摩擦,可以制成高效節能、質量輕、體積小、大轉矩、低速驅動、平穩低噪、壽命長免維護的電機,明顯減輕電機的質量,提高電機性能,再結合電力電子新技術,使得稀土永磁材料在電機中的應用可實現產品機電一體化,各種用途的新型稀土永磁電機進入了一個嶄新的發展階段。

汽車工業是釹鐵硼永磁應用增長最快的領域之一。在每輛汽車中,一般可以有幾十個部位如引擎、制動器、傳感器、儀表、音箱等會用到40~100顆NdFeB系及SmFeN系燒結磁體。據悉,一輛全自動高級轎車約需消耗稀土永磁材料0.5kg~3.5kg;新能源汽車上釹鐵硼材料的應用量更多,每輛混合動力車(HEV) 要比傳統汽車多消耗約5KG釹鐵硼,純電動車(EV)采用稀土永磁電機替代傳統發電機,多使用5~10KG釹鐵硼。隨著汽車工業的發展和電子技術要求的不斷提高,其對釹鐵硼永磁材料的需求量將越來越大。

2015年,我國“永磁高鐵”試運成功,采用稀土永磁同步牽引系統后,由于永磁電機直接勵磁驅動,具有能量轉換效率高、轉速穩、噪聲低、體積小、重量輕、可靠性等諸多特點,使得原來一列8節車廂的列車,由6節車廂裝備動力減小到4節車廂裝備動力,從而節省了2節車廂的牽引系統成本,提高了列車牽引效率,至少省電10%,列車的全壽命周期成本降低。

地鐵采用NdFeB稀土永磁牽引電機后,低速運行時系統噪音明顯比異步電機低。永磁發電機使用全新封閉式通風電機設計結構,可以有效確保電機內部冷卻系統干凈清潔,免去了以往異步牽引電機裸露線圈帶來的濾網堵塞清潔問題,使用更加安全可靠,維護更少;直驅式釹鐵硼永磁電機的使用使得某些軌道交通可望在不久的將來去掉齒輪箱,給軌道交通牽引系統帶來革命性變化。永磁牽引已經成為下一代世界軌道交通列車主流研究方向。

隨著國內技術工藝水平的升級、專有設備的研發突破,我國研制生產的各種稀土永磁材料的性能已接近或達到國際先進水平。隨著世界經濟逐步復蘇,美洲和日本市場對中國高性能燒結釹鐵硼的需求劇增,我國多家釹鐵硼磁體材料生產企業的產品已進入到日本、歐洲和美國等世界各國,有力推動了我國對高端釹鐵硼產品的研發和市場上對鐵氧體的大規模替代,從而促進了全球釹鐵硼的規模增長。

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