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技术@前沿研究丨稀土永磁体的前景展望( 二 )


三、加工
（一）Nd-Fe-B磁体与稀土含量
Nd-Fe-B磁体一直处于不断优化的趋势 ， 尤其是通过减少或消除重稀土添加物 ， 该趋势在最近的稀土危机之前就已开始 ， 而且一直在加速发展 。 这种材料现在在全球磁体市场占据主导地位 。
一种应对措施是调整材料以使其更适合应用 。 重稀土金属通过自旋-轨道相互作用来增加单轴各向异性 。 反磁化成核作用往往主要发生在硬磁晶粒的表面不规则处 ， 因此一种解决方法是通过晶界扩散过程 ， 用昂贵的镝或铽使易退磁的表面和界面硬化 。 否则 ， 当电子驱动器中特定部分的磁体受到强大的第二象限反冲场时 ， 就只能通过掺杂镝或铽来提交那部分的矫顽力 。 在另一层面上 ， 通过适当的磁路设计 ， 可以实现时变永磁体或者可切换永磁体 。
近年来 ， 通过对工艺参数的精密控制 ， 特别是磨粉和将用于制造Nd-Fe-B磁体的粉末的粒径降低到1μm范围 ， 已经降低了对重稀土金属的需求 。 甚至可以用镧和铈的晶格匹配混合物来代替一部分钕以节省其用量 ， 这两种元素都更加便宜 ， 储量也更丰富 。 为缩小Nd2Fe14B（最大磁能积为515 kJ·m–3）和BaFe12O19（最大磁能积为45 kJ·m–3）之间的巨大差距而探索新的高性能无稀土磁性材料的尝试一直不太成功 。 六方晶铁氧体产量巨大 ， 约为1×106t·a–1 ， 它与稀土磁体共享市场份额 。 倘若能找到一种满足严格性价比标准的材料 ， 即每焦耳磁能的成本不超过1美元 ， 那么就有机会用一种新的“间隙磁铁”来填补这一空白 。 现已提出的许多化合物都含有其他昂贵的元素 ， 如铋、镓或钇 。 而其他化合物的各向异性不足 。
（二）增材制造
近几年材料工程学的最大创新是3D打印技术（即增材制造） ， 如今这种技术被广泛应用于一次性产品 ， 或者具有简单或复杂形状的小批量物体的原型设计与制造 。 在计算机控制下 ， 打印机利用聚合或金属原料 ， 建立一个由二维层级依次沉积和固结而成的形状 。 这些层级可由光固或热固聚合物、含有陶瓷或金属粉末的聚合物、通过激光熔化或烧结作用熔合的金属粉末制成 。 生产黏结磁体的方法包括黏接剂喷射法 ， 每一层磁粉都覆有一层液体热固性黏结剂 ， 然后在烘箱中固化打印体 。 熔融挤出法通常用预混磁粉和高分子黏结剂制成的细丝为原料 ， 使之熔化并从移动头中挤出以建立层级 。 一种变体将复合材料球团用于大面积增材制造 。 该聚合物通常是聚酰胺（尼龙） ， 其也用于注射成型 ， 通过气体雾化生产的直径约45μm球状Nd-Fe-B粉末具有良好的流动性 。 还有其他方法基于直接激光、电子束熔融或强制性磁粉层的烧结 。
对于永磁的主要应用是制造Nd-Fe-B粉末的聚合物黏结复合材料 。 由于各向同性黏结磁体非常弱 ， 磁能积约为5kJ·m–3 ， 故未使用六方晶系铁氧体 。 成形件随后以常规的方法磁化 。
这项工作还处于早期阶段 ， 有关稀土磁体的第一份研究报告可以追溯到2016年 。 大多数成果是关于各向同性的黏结磁体的 ， 正如在引言中所讨论的那样 ， 这不是一个有效利用昂贵的稀土材料的方法 。 其磁能积不超过58 kJ·m–3 。 迄今为止 ， 通过激光熔化Nd-Fe-B粉末生产的致密磁体 ， 其所得数值也不甚理想 。 关键是要找到一种方法 ， 将粉末取向步骤引入增材制造过程 。
这种方法的优点是可以在聚合物黏结磁体中产生形状或密度的梯度变化 ， 该磁体被设计用来生成理想的杂散场 ， 尽管产生的磁场的量级很小 ， 约为50kA·m–1 ， 但是可以在磁体内部创建复杂的通道用于冷却或其他流体的流动 。
然而 ， 当前的一个巨大的挑战是设计出一种不能通过传统的压制或注塑成型来制造的形状 ， 它具有独特的、潜在有用的磁性功能 。 接下来 ， 必须设计合适的磁化过程 ， 以提供必要的三维磁化模式 。 这可以作为单独的一步 ， 也可以应用在原位磁场中 ， 利用脉冲微线圈 ， 使磁粉以统一方向或局部可变方向取向磁化 。 一定程度上 ， 标准3D打印机需要定制化处理 ， 以适应磁场发生器 ， 并移除打印头附近的所有铁磁材料 。 将原位磁场与稀土磁粉的激光烧结结合的要求甚至更加苛刻 。


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