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      稀土科技
      “奇妙”的(de)钕()铁硼(peng)永磁材(cai)料(liao)
      发布时间:2017-05-08 16:17:43 浏览:

      钕铁硼永磁(ci)材(cai)料由于其优异的(de)磁(ci)性能(neng)和较高(gao)的性价比(bi),自问世以来,迅速成(cheng)为(wei)稀(xi)土永(yong)磁市场中(zhong)的主导者(zhe),其产(chan)值(zhi)占据(ju)世界稀土永磁(ci)材(cai)料(liao)产值的90%,并且随(sui)着制(zhi)备(bei)工(gong)艺和(he)生(sheng)产(chan)技术(shu)的不断(duan)改(gai)进,其各(ge)项(xiang)性(xing)能不(bu)断(duan)提(ti)高(gao),应(ying)用(yong)领(ling)域(yu)也(ye)在逐(zhu)步(bu)扩展。因此,钕()铁硼永磁材(cai)料应用量的多少已经(jing)成(cheng)为现代(dai)化(hua)水(shui)平高(gao)低(di)的标(biao)志(zhi),钕()铁硼(peng)永磁材料(liao)依(yi)然(ran)是稀(xi)土(tu)材(cai)料(liao)产业(ye)中的朝阳(yang)产(chan)业(ye)。

      今天,就(jiu)和小(xiao)编(bian)一起认识(shi)一(yi)下(xia)这种(zhong)新材料。

      如(ru)果(guo)说(shuo)飞机(ji)的(de)发(fa)明实(shi)现(xian)了(liao)人类像鸟(niao)一(yi)样“飞翔”的梦想,那么这种比飞机还要快近一倍(bei)的“疯狂”的“地面火箭”,是否(fou)可(ke)以(yi)让人类(lei)再(zai)次梦想成真呢(ne)?

      这个(ge)答(da)案我们尚(shang)且不去定(ding)论(lun)。按(an)照(zhao)目(mu)前的(de)科技发(fa)展(zhan),要(yao)想在(zai)接(jie)近真(zhen)空(kong)的(de)管(guan)道(dao)内实(shi)现(xian)接(jie)近音(yin)速的速度(du),目前(qian)的可行(xing)性(xing)方(fang)案(an)只(zhi)有(you)真(zhen)空磁(ci)悬浮(fu)技术。

      何(he)为真空(kong)磁悬浮技(ji)术?简单来讲,就是建(jian)造一(yi)条(tiao)与(yu)外(wai)部(bu)空(kong)气隔(ge)绝的管(guan)道,将管内(nei)抽为(wei)真空(kong)后(hou),在其(qi)中(zhong)运(yun)行(xing)磁悬(xuan)浮列车等交(jiao)通工具(ju),由(you)于(yu)没(mei)有(you)空气(qi)摩擦(ca)的阻(zu)碍(ai),列车将(jiang)运行(xing)至令(ling)人瞠()目(mu)结舌的(de)高(gao)速(su),大大(da)缩(suo)短地球表面任意地点间的(de)时(shi)空(kong)阻隔。

      而稀(xi)土(tu)永磁(ci)材(cai)料(liao),则是承载这项(xiang)技(ji)术(shu)的一个重(zhong)要支(zhi)点(dian)。其“永磁”特(te)性是超(chao)级(ji)高铁速(su)度提升的(de)关(guan)键。在(zai)真空(kong)磁悬(xuan)浮(fu)技术的(de)前提下(xia),列(lie)车和(he)轨道(dao)采用稀土永磁材料(liao),是(shi)很(hen)有可(ke)能达(da)到(dao)超(chao)级高(gao)铁预(yu)想的速(su)度(接近音速)!

      那么,稀(xi)土永磁(ci)材(cai)料到(dao)底是(shi)什(shi)么(me)?为(wei)什么(me)会(hui)有如(ru)此神(shen)奇(qi)的(de)特性?让(rang)我们(men)一(yi)起来(lai)揭开(kai)它(ta)的神(shen)秘面纱!

      一、永(yong)磁(ci)材(cai)料(liao)及其(qi)发展

      永磁材(cai)料(liao)是指(zhi)在外(wai)磁场的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)磁(ci)化至饱和(he)并在(zai)去(qu)掉外(wai)磁(ci)场(chang)后仍能(neng)保(bao)持(chi)其(qi)磁(ci)性的一种(zhong)功(gong)能(neng)材(cai)料(liao),又被(bei)称(cheng)为永磁(ci)材(cai)料(liao)或硬(ying)磁材料(liao),通俗一点来讲,就(jiu)是人(ren)们常说的“吸铁石”。早(zao)在战国时(shi)期发明的(de)“司南”,便(bian)是利用(yong)了(liao)磁铁(tie)指南(nan)的(de)作(zuo)用(yong)来(lai)辨(bian)别方(fang)向(xiang)。

      图1 战国时期(qi)的司南(nan)

      尽管人类(lei)对磁(ci)性材料(liao)的认(ren)识(shi)已(yi)有(you)两(liang)千多年(nian),但人造永磁体始(shi)于十(shi)世纪(ji)我(wo)国发明的(de)磁(ci)化钢(gang)针(zhen),磁性(xing)材料的发(fa)展与应用取(qu)得重(zhong)大进(jin)步(bu)始(shi)于(yu)十(shi)九世纪(ji)末二(er)十(shi)世纪初。二十世纪初,人们主(zhu)要(yao)使(shi)用钨钢(gang)、碳钢、铬钢和(he)钴()钢(gang)作(zuo)永磁材(cai)料(liao)。二(er)十世(shi)纪(ji)三(san)十(shi)年代(dai)末,AlNiCo(铝镍钴)永(yong)磁材(cai)料(liao)开(kai)发(fa)成(cheng)功,永磁材(cai)料开始(shi)大(da)规模应(ying)用。五十年代,钡铁氧体出现,降低了永磁(ci)体(ti)成(cheng)本(ben),同(tong)时(shi)将永磁(ci)材(cai)料(liao)应(ying)用范围(wei)拓宽(kuan)到高频(pin)领(ling)域(yu)。到六十年代,稀(xi)土(tu)钴永磁(ci)研(yan)发(fa)成功(gong),永磁(ci)体(ti)的(de)应(ying)用(yong)迈入(ru)了一(yi)个新的(de)时(shi)代。1967年,美国Dayton大学的Strnat等成功制成SmCo5永磁体,标志着稀(xi)土永(yong)磁(ci)时代的(de)到来。迄今为止,稀(xi)土(tu)永磁(ci)材料(liao)已经由第(di)一代(dai)1:5型SmCo5,第二代沉(chen)淀硬(ying)化(hua)型(xing)Sm2Co17,发展到第三代Nd-Fe-B永磁材料。

      此外,历史(shi)上曾(zeng)被用(yong)作(zuo)永磁材料的还有Cu-Ni-Fe、Fe-Co-V、Fe-Co-Mo、A1MnC、MnBi合金等,这(zhe)些合金(jin)由(you)于(yu)性(xing)能较(jiao)差(cha)、性价比低,在大(da)多数场(chang)合(he)已很少采用(yong)。FeCrCo、AlNiCo、PtCo等(deng)合(he)金依(yi)然应(ying)用于一(yi)些(xie)特殊场(chang)合(he)。Ba、Sr铁(tie)氧(yang)体(ti)仍(reng)然是目前(qian)用(yong)量(liang)最(zui)大(da)的(de)永(yong)磁材(cai)料,但(dan)其在(zai)许(xu)多(duo)应(ying)用领(ling)域正(zheng)逐渐(jian)被(bei)Nd-Fe-B类材料取代,当(dang)前稀土类永磁(ci)材料的(de)产(chan)值已经远(yuan)远超(chao)过铁氧体(ti)永(yong)磁(ci)材料(liao),稀(xi)土(tu)永(yong)磁(ci)材料的(de)生(sheng)产已经(jing)发(fa)展(zhan)成(cheng)为一大产业(ye)。Nd-Fe-B已(yi)经(jing)成为目前应(ying)用(yong)最广的稀(xi)土永磁(ci)材(cai)料(liao),也(ye)是(shi)迄今为(wei)止(zhi)磁性(xing)最强的永(yong)磁(ci)材(cai)料。

      图2 永(yong)磁(ci)材(cai)料(liao)的(de)发展(zhan)历(li)史(shi)(1990-2015年)

      二、钕铁(tie)硼(peng)的特(te)点(dian)及(ji)优势(shi)

      钕()铁(tie)硼是(shi)一(yi)种(zhong)由稀土金(jin)属(shu)钕()、金属元素铁、非金属(shu)元素(su)硼(peng)以及少(shao)量添加元(yuan)素(su)镨、镝、 铌、 铝、镓、铜(tong)等元素组成的(de)稀(xi)土(tu)永(yong)磁(ci)化(hua)合(he)物(wu),简单来(lai)讲(jiang)是一(yi)种磁(ci)铁,又称磁钢。钕()铁硼永(yong)磁(ci)体磁性(xing)能(neng)优(you)良,质轻价廉,应用范围广泛,被誉为“磁王”,是迄(qi)今为(wei)止性(xing)价比(bi)最(zui)高(gao)的磁体材料(liao)。

      钕铁硼永(yong)磁(ci)体(ti)具(ju)有(you)大的(de)磁晶(jing)各向异性场,磁极化强度高,理论磁能积为64MGOe,其磁性(xing)比十九世纪人(ren)们(men)使用的磁钢(gang)的磁性能(neng)高(gao)100多倍,比平(ping)常的(de)铁(tie)氧体(ti)、铝镍钴高10倍,比昂贵的铂钴()合金(jin)的(de)磁性(xing)能还高(gao)一倍(bei),其矫顽力和 能量密度很高,大(da)大(da)降低了(liao)磁(ci)性(xing)材(cai)料(liao)零(ling)部(bu)件(jian)尺(chi)寸(cun),推(tui)动(dong)了仪(yi)器仪(yi)表、电声电机、计算机、移动电话(hua)等设备的小(xiao)型(xing)化(hua)、轻量化、薄型化(hua)及高(gao)效(xiao)化(hua),提高了(liao)产品的(de)性(xing)能(neng),而(er)且(qie)促(cu)进(jin)了某些特殊器件(jian)的产生(sheng);钕铁硼(peng)具(ju)良(liang)好(hao)的机(ji)械(xie)特(te)性,易于切削加工;其制(zhi)备技(ji)术(shu)工艺(yi)比较成熟,居里温度约为580K,使用温度可达150℃;钕铁硼(peng)不(bu)含(han)战略元素(su)Co和Ni,原材料丰富,其很高(gao)的(de)性价比。

      三、钕()铁(tie)硼(peng)稀土永(yong)磁材(cai)料的(de)应用

      钕()铁(tie)硼(peng)永磁(ci)材料(liao)的(de)出现(xian)促(cu)进了人类(lei)文明的进步,为社会经(jing)济(ji)发(fa)展做(zuo)出了(liao)巨大(da)的贡(gong)献(xian)。这类(lei)材(cai)料(liao)可以实(shi)现(xian)机(ji)械(xie)能(neng)与(yu)电磁(ci)能(neng)的相互(hu)转换(huan)功(gong)能,具有磁光效应、磁共振效应、磁力学效应、磁化学效应、磁生物效应、磁阻效应(ying)和(he)霍(huo)尔效应(ying)等(deng)磁的各种(zhong)物(wu)理效应,因而(er)被(bei)制作(zuo)成(cheng)磁性功(gong)能(neng)器(qi)件广(guang)泛应(ying)用于(yu)计(ji)算(suan)机、交通、通讯、航空航天、工(gong)业(ye)自(zi)动化(hua)和医(yi)疗等领(ling)域(yu)。

      工业(ye)中(zhong)使(shi)用的大量传统异步(bu)电机(ji),在工作时,转(zhuan)子绕(rao)组要(yao)从(cong)电网(wang)吸收部分(fen)电(dian)能(neng)励磁(ci),这(zhe)部(bu)分电网电(dian)能(neng)最终以(yi)电流(liu)形(xing)式(shi)在转子(zi)绕(rao)组中(zhong)发热消耗(hao)掉(diao),该(gai)部(bu)分损耗(hao)约占电机总损(sun)耗的(de)20~30%,使电机(ji)效率(lv)降低(di)。永(yong)磁(ci)同(tong)步电机在(zai)转(zhuan)子上(shang)嵌入(ru)永磁(ci)体,由(you)永(yong)磁体建立(li)转(zhuan)子磁(ci)场(chang),在正常工作(zuo)时转子与(yu)定子(zi)磁(ci)场同步运(yun)行(xing),转子中无(wu)感(gan)应(ying)电(dian)流(liu)产(chan)生(sheng),不(bu)存在转子电阻损(sun)耗,只(zhi)此(ci)一(yi)项可将电机效率(lv)提高(gao)4%~50%。由(you)于永磁电机(ji)转子中(zhong)无(wu)感(gan)应(ying)电(dian)流励磁,定(ding)子绕(rao)组有(you)可能(neng)实现纯(chun)阻(zu)性(xing)负载(zai),使(shi)电机功(gong)率因数几(ji)乎(hu)为1,大大提高了电(dian)网(wang)的(de)品质因数(shu),使(shi)电(dian)网(wang)中(zhong)不(bu)再需要安装(zhuang)补偿(chang)器(qi)。同时,因(yin)永磁电机(ji)的高效率(lv),也节约了电能。

      目前,稀(xi)土永(yong)磁电机(ji)是(shi)钕()铁(tie)硼磁体最大的(de)应(ying)用领域(yu),约(yue)占(zhan)磁体总(zong)应用量(liang)的(de)70%,其种类繁多,形状、性能各异。计(ji)算(suan)机硬盘配套(tao)的音(yin)圈(quan)电机(VCM)占40%-50%,所以目(mu)前计(ji)算(suan)机(ji)产(chan)业(ye)是永磁(ci)电机的最大(da)用户。将钕()铁硼(peng)稀(xi)土永(yong)磁材料应用于各(ge)种电(dian)机的(de)开发(fa)上(shang),由永磁铁励磁,不(bu)存在转(zhuan)子(zi)损(sun)耗和摩(mo)擦,可(ke)以制(zhi)成高(gao)效节能、质量轻、体积小、大转矩、低速驱动、平稳低噪、寿命长免(mian)维(wei)护(hu)的(de)电机(ji),明(ming)显(xian)减(jian)轻电机(ji)的(de)质量,提高电机性能,再结(jie)合(he)电力电子新技(ji)术,使得(de)稀土永磁(ci)材料(liao)在电(dian)机中(zhong)的(de)应用(yong)可(ke)实(shi)现产品(pin)机(ji)电(dian)一(yi)体(ti)化(hua),各(ge)种(zhong)用途(tu)的(de)新(xin)型稀土永(yong)磁电(dian)机(ji)进入(ru)了(liao)一(yi)个(ge)崭新(xin)的(de)发(fa)展阶(jie)段。

      汽车(che)工(gong)业(ye)是钕铁(tie)硼永(yong)磁(ci)应(ying)用增(zeng)长最快的领域之(zhi)一(yi)。在每辆汽车中,一(yi)般可(ke)以(yi)有(you)几十(shi)个部位(wei)如引擎(qing)、制动器、传感器、仪表、音箱等会用到40~100颗NdFeB系及SmFeN系烧结磁体。据悉,一辆(liang)全自动(dong)高(gao)级(ji)轿(jiao)车约(yue)需(xu)消耗(hao)稀土永(yong)磁(ci)材料(liao)0.5kg~3.5kg;新(xin)能源汽(qi)车(che)上(shang)钕铁硼(peng)材(cai)料的应用量更多(duo),每辆(liang)混(hun)合动力车(HEV) 要比传(chuan)统汽车多(duo)消(xiao)耗(hao)约5KG钕铁硼,纯电动车(EV)采(cai)用(yong)稀(xi)土永(yong)磁(ci)电(dian)机替(ti)代(dai)传统发(fa)电机,多使用5~10KG钕铁硼。随(sui)着(zhuo)汽车工业(ye)的(de)发展(zhan)和(he)电(dian)子(zi)技(ji)术要(yao)求(qiu)的不断(duan)提高,其对钕铁硼(peng)永(yong)磁材(cai)料(liao)的需求(qiu)量将越(yue)来越大。

      2015年,我国“永磁高铁”试运成功,采(cai)用稀(xi)土(tu)永(yong)磁同步(bu)牵(qian)引(yin)系(xi)统(tong)后(hou),由于(yu)永(yong)磁电(dian)机(ji)直接励磁(ci)驱动,具有(you)能量转换(huan)效(xiao)率高、转速稳、噪声低、体积小、重量轻、可(ke)靠性(xing)等(deng)诸多特(te)点(dian),使得原来一列8节车厢的列车,由6节车厢装备动力减(jian)小(xiao)到4节车(che)厢(xiang)装备(bei)动(dong)力(li),从而节省了2节(jie)车(che)厢的(de)牵(qian)引(yin)系统成本,提高(gao)了(liao)列车牵(qian)引效(xiao)率(lv),至少省电10%,列(lie)车(che)的(de)全(quan)寿命(ming)周期(qi)成本(ben)降低(di)。

      地铁采用NdFeB稀(xi)土永(yong)磁牵(qian)引电机(ji)后(hou),低速运(yun)行(xing)时系统(tong)噪音(yin)明(ming)显比(bi)异步(bu)电(dian)机(ji)低。永磁(ci)发(fa)电(dian)机(ji)使(shi)用全新(xin)封闭(bi)式通(tong)风(feng)电(dian)机设计(ji)结构(gou),可以(yi)有(you)效(xiao)确(que)保电(dian)机(ji)内(nei)部(bu)冷(leng)却系(xi)统(tong)干净清洁,免(mian)去了以(yi)往异步(bu)牵引电机(ji)裸(luo)露(lu)线圈带来的滤网堵(du)塞清(qing)洁问(wen)题(ti),使用(yong)更加安全(quan)可靠(kao),维护更少;直(zhi)驱(qu)式(shi)钕铁(tie)硼永磁(ci)电机(ji)的(de)使用使(shi)得(de)某些(xie)轨道(dao)交(jiao)通(tong)可望在(zai)不久的(de)将来去掉齿轮(lun)箱,给(gei)轨(gui)道(dao)交(jiao)通牵(qian)引(yin)系统带(dai)来革(ge)命性变(bian)化(hua)。永(yong)磁(ci)牵引已经成(cheng)为下(xia)一(yi)代世(shi)界轨道交(jiao)通列(lie)车主(zhu)流研究(jiu)方向。

      随着(zhuo)国内技(ji)术工艺水平的(de)升(sheng)级、专(zhuan)有(you)设(she)备的(de)研(yan)发突(tu)破(po),我国研制(zhi)生(sheng)产的(de)各(ge)种稀(xi)土(tu)永(yong)磁材(cai)料的性能(neng)已(yi)接(jie)近或(huo)达到国(guo)际(ji)先(xian)进(jin)水(shui)平。随着世(shi)界经济逐(zhu)步(bu)复(fu)苏,美(mei)洲(zhou)和(he)日(ri)本(ben)市场对(dui)中(zhong)国高性能(neng)烧(shao)结钕()铁硼(peng)的需求剧(ju)增(zeng),我(wo)国多(duo)家(jia)钕()铁硼(peng)磁(ci)体(ti)材(cai)料(liao)生(sheng)产企(qi)业的(de)产品已进(jin)入到日本(ben)、欧(ou)洲和美国等世(shi)界各国,有(you)力推(tui)动(dong)了(liao)我国对高端(duan)钕铁硼(peng)产(chan)品的(de)研发(fa)和市场上对铁(tie)氧体(ti)的(de)大(da)规(gui)模替代(dai),从而(er)促进(jin)了全(quan)球钕铁硼的(de)规(gui)模增长(chang)。

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