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❶ 「磁王」釹鐵硼——稀土永磁材料中的朝陽產業

釹鐵硼永磁材料由於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%，並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。

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並在去掉外磁場後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。

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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、行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，易於切削加工；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，使得其自1983年釹鐵硼問世，到2006年產量就猛增到55540噸，到2015年，更激增至13萬噸左右。

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，因而被製作成磁性功能器件廣泛應用於計算機、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非同步電機，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%。由於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。計算機硬碟配套的音圈電機(VCM)佔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於各種電機的開發上，由永磁鐵勵磁，不存在轉子損耗和摩擦，可以製成高效節能、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、感測器、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)採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，採用稀土永磁同步牽引系統後，由於永磁電機直接勵磁驅動，具有能量轉換效率高、轉速穩、雜訊低、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。

地鐵採用NdFeB稀土永磁牽引電機後，低速運行時系統噪音明顯比非同步電機低。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，免去了以往非同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。

近年來，磁懸浮飛機國際有限公司（Magplane International Ltd）在我國推介美國磁懸浮飛機系統。磁懸浮飛機系統採用釹鐵硼永磁體，進行新型懸浮設計，是一種最新型地面軌道交通運輸系統。每公里需配2輛磁懸浮飛機（列車），每一輛磁懸浮飛機（列車）將使用約10噸燒結釹鐵硼材料。該系統通過優化各類交通資源和集合多樣性技術特徵，降低造價和運行成本，實現了智能化、大容量和高速的統一。若磁懸浮飛機系統投入實際應用，可使市內短程交通系統與城際間中長途交通系統融為一體，有助於實現城市繁雜交通系統的一體化解決。

此外，稀土永磁材料也大量應用於永磁懸浮風力發電機、永磁偏置懸浮軸承、磁懸浮感應電機等磁懸浮裝置。

電磁/永磁復合EMS型結構的懸浮電磁鐵採用了NdFeB永久磁體，不需要製冷系統，結構簡單，造價低，可以減少整個系統的功耗，在同等條件下，其同極的排斥力是鐵氧體的16倍，同時可以加大懸浮間隙，減輕軌道的精度要求，懸浮的可靠性和列車運行的平穩性增強。2004年10月22日，可乘坐32人、我國自主研製的永磁補償式磁懸浮技術驗證車「中華01號」亮相大連，所用磁體為稀土永磁材料，採用車路一體化設計結構，懸浮耗能幾乎為零，運輸力與現行火車相當，安全性大大提高。目前，我國正在大力推進使用釹鐵硼磁體的永磁懸浮列車研究，可望在未來幾年內建成時速約600km/h的磁懸浮列車專線。

機器人、3D列印及相關智能製造受到人們越來越多的關注，智能機器人已經成為人類改革世界的一大核心技術，而驅動電機是機器人的核心部件。在驅動系統內部，微型釹鐵硼磁鋼無處不在。有資訊可查，目前機器人用電機永磁同步伺服電機即釹鐵硼永磁電機是主流，伺服電機、控制器、感測器和減速機是機器人控制系統和自動化產品的核心部件。機器人的關節活動靠驅動電機來實現，要求有非常大的功率質量比和扭矩慣量比、高的起動轉矩、低的慣量和平滑寬廣的調速范圍。特別是機器人末端執行器（手爪），應盡可能採用體小量輕的電動機；要求快速響應時，驅動電機還必須具有較大的短時過載能力；較高的可靠性及穩定性是驅動電機在工業機器人中應用的先決條件。對此，稀土永磁電機最適合不過。有機構測算，目前一台165kg焊接機器人需要消耗25公斤左右的高性能釹鐵硼。中國也已經將機器人列入國家發展戰略規劃，中外資企業已在行動之中布局機器人產業，在人工智慧和機器人領域投入了巨大的財力物力。

在醫療方面，NdFeB磁體的出現，推動了磁共振成像MRI的發展和小型化。永磁式RMI-CT核磁共振成像設備以往採用鐵氧體永磁，磁體重量高達50噸，採用釹鐵硼永磁材料後，每台核磁共振成像儀僅需永磁體0.5～3噸，但磁場強度提高了一倍，大大提高了圖像清晰度，而且釹鐵硼永磁體型設備具有佔地最少，磁通泄漏最小，運行成本最低等優點。作為醫用機器人的典型代表，康復機器人能夠幫助患者進行科學有效的康復治療，高性能、高集成度的無刷直流電機是康復機器人電機驅動關節的關鍵零部件，需要用高性能、耐高溫NdFeB永磁材料。

電子束聚焦領域中稀土永磁的應用主要是在各種質譜儀、加速器及微波器件中。典型應用為周期性永磁體（REPM），電子束或其它粒子束通過磁體進行聚焦改變前進方向等。目前美國裝備的愛國者防空導彈之所以能精準攔截來襲目標，得益於其制導系統中使用了大約4公斤的釤鈷磁體和釹鐵硼磁體，用於電子束聚焦。M1A2主戰坦克的導航定位系統使用稀土磁體，「民兵」洲際導彈、「三叉戟」導彈、「魚叉」反艦導彈、JDAM精確制導炸彈、「地獄火」導彈、「猛禽」F-22等都使用稀土磁體。

磁電、電磁式儀表用NdFeB用量約占總應用量的6%。應用NdFeB永磁體磁系統結構簡單並可以確保儀表磁系統中高磁通利用率和高磁通密度的一般要求。同時，NdFeB磁鋼體小量輕，可製成薄片狀，為槽型表、廣角表及特殊形狀儀表的微型化和精密化提供了改造的可能性。

航空航天上，從神州系列飛船、探月工程嫦娥系列衛星到太空火箭，都離不開稀土永磁材料。釹鐵硼永磁體由於其突出的穩定性、可靠性和最高的性能尺寸比在陀螺儀表和導航系統中發揮著不可替代的作用。

另外，NdFeB在油田除蠟、電子通訊、數控機床、家電設備等其他領域也有廣泛應用。

隨著國內技術工藝水平的升級、專有設備的研發突破，我國研製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甦，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。

編輯：趙翠 魯凡英

（專家：朱明剛，教授，博士生導師，中關村開放實驗室-鋼研院先進永磁材料與分析檢測實驗室主任，全國稀土標准化委員會稀土標准主審專家，中國電工技術學會第五屆永磁電機專業委員會委員，中國專利審查技術專家，中國實驗室國家認可委員會技術專家。姜瑞姣，講師，博士研究生。河北工程大學教師，主要從事熱壓雙硬磁主相永磁材料的制備成型及性能研究。本文由中國稀土學會推薦供稿，科普中國微平台原創首發。）