稀土永磁材料作为一种重要的功能材料

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1、稀土永磁材料的发展与应用研究金钊敖卫东 张智轶甘剑锋重庆通信学院，400035摘要：稀土永磁材料在国民经济中占有重 要的地位。本文从稀土永磁材料特点出发， 介绍了稀土永磁材料发的相关发展应用，并 进行了钕铁硼永磁体的粘结研究。关键词：稀土永磁；粘结0引言稀土永磁材料作为一种重要的功能材 料，已被广泛应用于能源、交通、机械、医 疗、电脑、家电等领域，深入国民经济的方 方面面，其产量与用量已成为衡量一个国家 综合国力与国民经济发展水平的重要标志。稀土永磁的出现是永磁材料领域中的 一个巨大进步，尤其是NdFeB稀土永磁材料 的高性能使得高新技术产业中的磁器件高 效化，小型化，轻型化成为可能。相信随着

2、 稀土永磁材料应用的扩展，定会迎来一个稀 土永磁高新技术应用的新时代。1稀土永磁材料的概要介绍稀土永磁材料是不同的稀土元素和过 渡金属F，C，N.等组成的金属间化合e o i物，是近二十年来得到迅速发展的一种新颖 永磁材料。稀土永磁材料发展十分迅速，现已经在 许多领域里得到了广泛的应用，成为当代新 技术的重要物资基础。自80年代以来利用钐 钻合金做稀土永磁电机。产品类型包括伺服 电动机、驱动电动机、汽车启动机、地面军 用电机、航空电机等，部分产品出口。稀土永磁体不仅具有很高的剩磁感应 强度，很高的磁能积，而且具有很高的矫顽 力，这一点是当今任何永磁材料所无法相比 的。目前，采用烧结法制造的钻基

3、稀土永磁 体的矫顽力可达800KA/m；铁基烧结稀土永 磁体的矫顽力可做到850kA/m。综上可见稀土永磁体具有如下优点：1咼的磁特性：具有很咼的剩磁感 应强度B,很高的磁能积B.H和很高的矫 顽力特别是高的内禀矫顽力。目前采用 的烧结钻基稀土永磁体的剩磁感应强度可 大1.2T,接近铝镍钻永磁体的最高水平，而 其矫顽力则可做到800kA/m，约为铁氧体永 磁的三倍。2直线退磁特性：它们的退磁曲线 基本为直线，恢复线与退磁曲线相重合，可 逆磁导率接近于1.0。3耐温高：烧结钻基稀土永磁体的 居里温度可达850摄氏度，因此可适应高温 环境工作，钻基稀土永磁体的工作温度可达 300摄氏度。4温度稳定

4、性较好：钻基稀土永磁 体的剩磁感应强度可逆温度系数可做到 0.03%,其水平接近铝镍钻永磁体。2十七种稀土元素稀土被人们称为新材料的“宝库”是 各国科学家，尤其是材料专家最关注的一组根据国际纯粹与应用化学联合会对稀 土元素的定义，稀土类元素是门捷列夫元素 周期表第三副族中原子序数从57至71的15 个镧系元素，镧系中的镧La、铈Ce、错Pr、 钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu、轧Gd、铽Tb、 镝Dy、钦Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu, 再加上与其电子结构和化学性质相近的钪 Sc、和钇Y,共计17个元素。除钪与钇外, 其余15个元素往往共生。稀土元素的应用蓬勃发展，已扩展到科 学技术的各个

5、方面，尤其现代一些新型功能 性材料的研制和应用，稀土元素已成为不可 缺少的原料。在农业领域目前发展有稀土农学、稀土 土壤学、稀土植物生理学、稀土卫生毒理学 和稀土微量分析学等学科。稀土在冶金工业 中应用量很大，约占稀土总用量的1/3。稀 土可以用于石油裂化工业中的稀土分子筛 裂化催化剂。在高新技术产业中应用，可以用作显示 器的发光材料、磁性材料、储氢材料、激光 材料、精密陶瓷、催化剂、高温超导材料。3 钕铁硼 NdFeB钕铁硼是具有高矫顽力和高磁能积的 高性能的稀土材料，而且近年来对该材料的 不断完善，提高了使用温度和降低了材料的 成本。将钕铁硼稀土永磁材料应用于各种电 机的开发上可以明显的减

6、轻电机的质量，减 小电机的外型尺寸，又可以获得高效的节能 效果和提高电机的性能，再结合电力电子新 技术，使得稀土永磁材料在电机中的应用可 实现产品机电一体化，各种用途的新型稀土 永磁电机将进入了一个崭新的发展阶段。稀土永磁电机是钕铁硼磁体最大的应 用领域，约占磁体总量的 70，电脑硬盘配 套的音圈电机(VCM)占40%-50%,所以电脑 产业是永磁电机的最大用户。采用稀土永磁电机可以明显减轻电机 的重量，如10kW普通发电机,重量为220kg, 而稀永磁发电机为92kg。稀土永磁电机高效 节能,平均节电率高达 10,某些专用电机 节电率高达 15-20,性价比高。德国西 门子研制的 1095k

7、W、230rpm 六极永磁同步 电动机,与过去使用的直流电动机相比,体 积减少 60左右,总损耗降低 20。由于钕铁硼具有很高的性能价格比,因 此成为制造高效能、体积小、重量轻的磁性 功能器件的理想材料,有望对许多应用领域 产生革命性的影响。除了在电脑、打印机、 移动 、家用电器、医疗器等方面的广泛 应用外,汽车中的发电机、电动机和音响系 统的应用已经日趋成熟,这将极大地带动钕 铁硼产业的发展。将来一个国家或一个家庭使用钕铁硼 永磁的多少将标志着现代化的水平。具体而 言,应用在以下一些方面：电脑和微电脑的 音圈电机(VCM)与软盘驱动器、汽车、BP机 与 、核磁共振成象、电动车辆、 VCD 与

8、 DVD 主轴驱动、复印机、 机、电开工具、 空调机、冰箱、洗衣机、机床数控系统、电 梯驱动及各类新型节能电机；选矿机、除铁 设备,各类磁水器、磁化器；高性能微波管, 鱼雷电推进，陀螺、激光制导，Alpha磁谱 议等尖端装置；磁传动,磁吸盘,磁起重装 置等。在中国和东南亚还有一个很大的磁疗 市场，如背背佳英姿带、磁饰、减脂肪运动 机、五行针等。其它还应用于防雾尾灯、磁 卡门锁、礼品盒开关等等。可以说，钕铁硼 永磁材料的应用已逐步渗透到各处领域。4 日美等国的相关发展状况和我 国稀土永磁材料发展展望4.1 日美等国的相关发展状况目前，日本，美国在钕铁硼主永磁方 面的研究，生产，应用上居世界领先地

9、位， 也是最主要的市场。日本是粘结钕铁硼磁体生产量最大的 国家，下表列出了日本粘结钕铁硼磁体的主 要应用领域用%表示。电机仪表/ 传感器医疗器电视机其它83从上表可以看出，粘结钕铁硼最大的 应用领域是电机。美国曾规定，到2000年汽 车平均耗油为40英里/加仑，就要求轻型化 汽车本身，首先要采用轻而小的电机。日本 汽车制造商瞄准此市场，开发新的高磁能积 各向异性钕铁硼无刷电机。假设在汽车中粘 结钕铁硼磁体占50，每辆汽车就需要102 克，全球汽车产量5540万辆，需要粘结各向 异性钕铁硼体约5650吨。以每公斤磁体价格 为100美元计，这个新的市场就增加粘结钕 铁硼产值5亿多美元。4.2 我国

10、稀土永磁材料发展及展望永磁材料的发展先后经历了铁氧体阶段磁能积4.6MG0e，AINiCo合金阶段磁 能积 11.5MGOe， SmCo 阶段磁能积 31.0MG0e，NdFeB 阶段磁能积 43MG0e。 钛铁硼稀土永磁材料的研制成功，使耳机、 扬声器、步进电机、无芯电机等实现了超小 型化。我国进行稀土永磁的应用研究和推广 工作较早并取得了较大的成绩，在有些方面 还具有我国的特色，如磁力耦合油泵的使 用，解决了石油工业跑冒滴漏的老大难问 题。磁医疗治疗各种疾病及磁疗首饰等的开 发和应用，也属影响面较广的稀土永磁应 用。另一个稀土永磁重要的应用领域是磁 悬浮系统。磁悬浮轴承已成功地应用在超高

11、速旋转装置及电度表轴承上。此外应当指出 的是一个巨大潜在应用领域即磁悬浮列车 运输系统。如果磁悬浮列车投入商业运行， 必将极大地推进稀土永磁产业的更加高速 的发展。这种项目只在几个经济实力强、技 术水平高的发达国家进行。我国对稀土永磁体的需求增长率持续 在20%左右。“十五”期间我国烧结NdFeB 磁体总产量到达50000吨左右，销售总额 150亿元。到2010年中国烧结NdFeB磁体产 量将到达7万吨，占全球75%,销售额260 亿元。在未来10内，我国将成为世界稀土 永磁材料的制造中心。5钕铁硼永磁体的粘结研究随着现代电机工业的迅速发展，尤其是 近代稀土永磁工业的兴起为我们的设计提 供了广

12、阔的前景，可以不再拘泥于电励磁的 励磁方式，采用稀土永磁材料作为励磁功率 源。根据稀土永磁电机设计要求，进行了磁 钢与转子钢箍的粘结实验，在满足整机性能 和机械结构性能的基础上，使电机磁性能到 达设计要求，实现优化设计。实验方法及步骤如下：5.1按要求配量按照设计要求，实验操作程序，完成几 种固定配比的粘结剂的调试定型工作。5.2预估方案首先，在转子钢箍的基础上进行没有兑 入磁粉的粘结性能及磁性能的测试。具体操 作步骤如下：1粘结体外表的除尘去污工作，用 刮刀打磨去除金属面的污渍及金属氧化物， 以保证金属外表到达良好的密合性能，保证 金属元件在粘结完成后获得良好的机械性 能。将准备好的粘胶按要

13、求调为可用的粘结 剂，而后静置大约一分钟，使粘结剂的粘结 效果到达最正确状态。2将处理好的金属机件按粘结顺序 放置好，用软毛刷蘸取适量的可用粘结剂， 均匀的涂抹在机件的粘结面上。涂抹时要保 证用量适当，涂抹均匀。用量过少，粘结疏 松，机械性能较差，容易造成转子在高速旋 转时机件损坏；用量过多，粘结剂四溢，会 使粘结面粘有太多污垢，影响性能测试和最 终的设计定型；涂抹不均，会使机件外表形 成薄厚不均的空气间隙，增大磁路在空气中 的损耗，很大程度上影响磁性能的良好发 挥，降低电机的使用效能。3在完成粘结后，在对粘结好的机 件进行加固加压操作，尽量减小机件间的空 气间隙，提高密合程度，降低磁能损耗，

14、以 保证机件良好的性能发挥；同时也可进一步 使机件粘结紧密，提高机件的机械性能。4完成以上操作后，保持机件粘结 状态静置24小时，使粘结剂的粘结效能到 达最高，机件充分粘合，连结紧密。5而后，使用专用测试仪器高斯仪, 测试粘结后磁钢外表不同位置的剩磁感应 强度，以检测粘结剂配比是否恰当，涂抹是 否均匀，机件整体的磁性能到达了多高的标 准，是否符合要求；再对其结构性能、粘结 强度进行测试，保证磁钢在转子高转速下的 粘结性能，使磁钢不会在离心作用下脱落 等。其次，按磁粉和已调好的粘结剂的不同 比例兑入磁粉，形成混合试剂。再用调好的 混合试剂粘结磁钢与转子钢箍。实验过程与 要求同上。选用同一磁钢进行

15、反复实验，每 粘一次，就测一次数据，而后再将该磁钢拆 除后，进行仔细清洁，在相同位置，用不同 比例的粘结剂再进行相同实验。待实验结束 后，再按照不同的情况读取、记录和保存数 据。从而保证实验数据的精确性、可操作性 和可靠性。5.3 检查效果，确认并验证最正确方 案按照要求，我们确立以实现较高的结构 性能和良好的磁性能为目标。因此，在实验 效果检查中，粘结的可靠性和磁性能就成为 重点检查项目。检查粘结性能时，进行机械强度试验， 只有磁钢与转子钢箍的间隙没有明显的变 化才可到达所需的粘结强度，说明粘结件在 结构性能上到达设计要求。检查磁性能时，首先清除磁钢外表的污 渍，而后使用专用数据测试仪器分别在磁钢 的两端和中间进行测试，读取相关数据，并 做记录。将所得的数据进行比照后，确认一 种最接近实验要求的数据，按其实验时的方 案，小幅度调整数据配比后，再反复进行操 作实验，以找到最正确的实验方案，获得最 优的实验数据。实验数据如下：1单块磁钢的技术参数：2加导磁环后的技术参数：300G竺空 300GS3在有导磁环的情况下，实验的相 关技术参数根据实验进程和实验预定方案 记录如下：磁粉与胶为1 比 1：磁粉与胶为1比 3:磁粉与胶为1比 5:根据以上数据分析，当兑入磁粉较多时 系统磁性能较强大，但结构强度下降明显； 反之，当粘结剂使