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來源：2024年第6期《稀土信息》
稀土—鐵—氮永磁材料的化學(xué)通式為RxFeyNz，R代表稀土元素。其中，各向異性稀土鐵氮永磁材料包括兩類化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)都不相同的材料： （1）Nd(Fe,M)12Nx或Pr(Fe,M)12Nx，其中M = Ti、V、Mo等，具有ThMn12型四方晶體結(jié)構(gòu)，這類材料通稱釹鐵氮；（2）Sm2Fe17Nx，具有Th2Zn17型菱方晶體結(jié)構(gòu)，簡稱釤鐵氮。學(xué)術(shù)界將這兩類材料統(tǒng)稱為稀土鐵氮永磁材料。
關(guān)于稀土鐵氮永磁材料的研究文獻(xiàn)，多出于中國、日本和歐美學(xué)術(shù)界專家。這些文獻(xiàn)主要聚焦于材料成分、工藝方面的科學(xué)探討，對于產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展和市場應(yīng)用方面鮮有論述。筆者長期在稀土鐵氮永磁材料主要發(fā)明人楊應(yīng)昌院士的指導(dǎo)下從事產(chǎn)業(yè)化開發(fā)和市場推廣工作。通過十余年的努力，寧夏君磁新材料科技有限公司（君磁科技Magvalley）已經(jīng)成為國際公認(rèn)具有原創(chuàng)性自主知識產(chǎn)權(quán)和規(guī)模化量產(chǎn)能力的全球三家企業(yè)之一，與國內(nèi)外電機和消費類電子領(lǐng)域一百多家企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)，對稀土鐵氮永磁材料產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)展掌握相對比較全面。近年來，稀土鐵氮永磁材料成為下游市場應(yīng)用開發(fā)的熱點方向，特別是“少釹化和無釹化”電機概念提出以來，釤鐵氮永磁材料備受關(guān)注。由于缺乏準(zhǔn)確全面的信息，目前產(chǎn)業(yè)界以及與此相關(guān)的投資界，對稀土鐵氮永磁材料研發(fā)歷史和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展的認(rèn)識還不夠客觀。本文將結(jié)合已公開的稀土鐵氮永磁材料研究學(xué)術(shù)文獻(xiàn)、專利、市場上的現(xiàn)有產(chǎn)品以及正在進(jìn)行的開發(fā)方向，對各向異性稀土鐵氮（釤鐵氮、釹鐵氮）永磁材料發(fā)展歷史，特別是產(chǎn)業(yè)化新進(jìn)展，予以介紹。
一、概述
稀土鐵氮永磁材料是我國在稀土功能材料領(lǐng)域的一項重大原創(chuàng)性發(fā)明，從物理學(xué)思想的提出，到大規(guī)模量產(chǎn)核心工藝及關(guān)鍵設(shè)備，均系自主創(chuàng)新。
最早提出各向異性稀土鐵氮永磁材料構(gòu)想的文獻(xiàn)追溯到1990年前后，相關(guān)文獻(xiàn)主要是由北京大學(xué)楊應(yīng)昌研究團(tuán)隊及該團(tuán)隊學(xué)生參與撰寫，相關(guān)研究成果獲得中國、美國、日本及歐盟的發(fā)明專利。中國科學(xué)院院士、中國稀土行業(yè)協(xié)會會長張洪杰教授在2019年第十一屆中國包頭稀土產(chǎn)業(yè)論壇上指出：“除了楊應(yīng)昌院士的釤鐵氮永磁材料，現(xiàn)有稀土新材料的原創(chuàng)技術(shù)基本上不是我國掌握的?！?/p>
北京大學(xué)楊應(yīng)昌研究團(tuán)隊的原創(chuàng)性貢獻(xiàn)，主要表現(xiàn)在兩個方面：
一是在1990年發(fā)現(xiàn)了在稀土鐵合金中的氮化效應(yīng)：通過氣—固相反應(yīng)，把氮原子加入到R(Fe,M)12, M = Ti,V,Mo …或… Sm2Fe17中，形成相應(yīng)的氮化物R(Fe,M)12Nx 或Sm2Fe17Nx，發(fā)現(xiàn)氮化物的磁性得到全面的、大幅度提高。該團(tuán)隊在國際上首次利用中子衍射技術(shù)測定了釤鐵氮和釹鐵氮等氮化物的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)氮在這些結(jié)構(gòu)中都占據(jù)特定的間隙晶位。據(jù)此，計算了間隙原子對于晶場作用和電子結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)在特定晶位的氮原子可以靈敏地調(diào)節(jié)稀土4f電子的晶場結(jié)構(gòu)和鐵3d電子的能帶結(jié)構(gòu)，使鐵的原子磁矩增加、稀土4f電子的晶場結(jié)構(gòu)發(fā)生根本變化，從而揭示了氮化效應(yīng)起源于氮的間隙原子效應(yīng)。間隙原子效應(yīng)一方面改變了稀土離子的晶場結(jié)構(gòu)，另一方面顯著提高了合金的居里溫度。楊應(yīng)昌研究團(tuán)隊所揭示的這一物理學(xué)思想，為稀土鐵氮等間隙性稀土永磁材料的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。該團(tuán)隊的相關(guān)研究曾兩次榮獲國家自然科學(xué)獎、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎、國際稀土永磁與先進(jìn)磁性材料會議（REPM）杰出成就獎等重要榮譽及獎項。
二是從研究氮化物的磁疇結(jié)構(gòu)及其反磁化過程著手，成功進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化核心工藝開發(fā)和關(guān)鍵設(shè)備研制。自1990年后，稀土氮化物成為全球開發(fā)新型稀土永磁材料的熱點。但是，國內(nèi)外諸多研究表明，氮化物雖然具有優(yōu)異的內(nèi)稟磁性，但是采用現(xiàn)有的制造釹鐵硼磁粉的工藝，難以制造出高性能稀土鐵氮磁粉。1994年美國GM公司研發(fā)部采用快淬工藝和日本日立公司采用機械合金化技術(shù)制備均未成功。楊應(yīng)昌研究團(tuán)隊認(rèn)為標(biāo)志永磁材料性能的參量矯頑力、剩余磁感應(yīng)強度和最大磁能積都是結(jié)構(gòu)靈敏量，與材料的微結(jié)構(gòu)有關(guān)，從技術(shù)上說，這些都依賴于材料的制造工藝，而從理論上來講，取決于材料的磁疇結(jié)構(gòu)及其反磁化過程，新材料應(yīng)該根據(jù)其特點開發(fā)與其相宜的制造方法。為此，該團(tuán)隊轉(zhuǎn)向氮化物的技術(shù)磁化研究，在國際上首次成功地觀測了稀土鐵氮的磁疇結(jié)構(gòu)，研究其反磁化機制，探索了多種不同的制備技術(shù)。2011年以來，在國家“863”計劃的支持下，北京大學(xué)與北京恒源谷科技有限公司合作，成功進(jìn)行了百噸級高性能稀土鐵氮永磁磁粉產(chǎn)線的開發(fā)建設(shè)，開發(fā)了規(guī)?；慨a(chǎn)技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備，并在寧夏君磁新材料科技有限公司做進(jìn)一步面向市場應(yīng)用的開發(fā)建設(shè)。
回顧上述研究歷史可見，北京大學(xué)楊應(yīng)昌研究團(tuán)隊作為稀土鐵氮永磁材料的主要發(fā)明人，做出了國際公認(rèn)的、重大的、開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，使我國在新一代稀土永磁材料領(lǐng)域擺脫了長期以來受制于國外專利限制的局面，推動了我國從稀土資源大國向稀土科技強國邁進(jìn)、促進(jìn)了我國稀土產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
二、稀土鐵氮永磁材料產(chǎn)業(yè)化開發(fā)局面
進(jìn)入新世紀(jì)以來，由于稀土釤的價格長期明顯低于稀土釹，因此，稀土鐵氮永磁材料的開發(fā)，主要著眼于釤鐵氮?？傮w上看，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的跟蹤研究時冷時熱，持續(xù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)研究的，更為鮮見，這主要是因為過去對這個材料的潛力還沒有一致地看法和信心。在國際上，主要是北京大學(xué)楊應(yīng)昌領(lǐng)導(dǎo)的君磁科技開發(fā)團(tuán)隊和日本住友金屬礦山株式會社為代表的日本企業(yè)進(jìn)行了長期不間斷的產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù)的研究開發(fā)，最終均開發(fā)成功并取得了國際專利保護(hù)。2022年，英國皇家科學(xué)院院士Coey教授在《Mordern Permanent Magnets》一書中指出，目前，各向異性釤鐵氮永磁材料主要由三家生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)，分別為日本的住友金屬礦山株式會社、日亞化學(xué)工業(yè)株式會社以及寧夏君磁新材料科技有限公司。其中，兩家日本企業(yè)采用還原擴散的工藝方法進(jìn)行生產(chǎn)，而寧夏君磁新材料科技有限公司采用新型粉末冶金的方法進(jìn)行生產(chǎn)。形成了兩種工藝路線、三家企業(yè)擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)并實現(xiàn)量產(chǎn)的局面。三家企業(yè)核心研發(fā)團(tuán)隊大致都是自20世紀(jì)90年代開展相關(guān)研發(fā)工作。
2021年日本粘結(jié)磁體協(xié)會（JABM）發(fā)布報告，介紹了目前全球具有獨立知識產(chǎn)權(quán)和量產(chǎn)能力的各向異性釤鐵氮生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品性能特征，該報告由入山恭彥先生完成，并有相關(guān)文獻(xiàn)在國外行業(yè)權(quán)威刊物發(fā)表，具體見表1。
在北京大學(xué)楊應(yīng)昌研究團(tuán)隊的指導(dǎo)下，寧夏君磁新材料科技有限公司還開發(fā)建設(shè)了世界上唯一的釹鐵氮永磁材料量產(chǎn)產(chǎn)線，并利用釹鐵氮材料的獨特優(yōu)勢，開展超薄永磁片材的應(yīng)用開發(fā)?！ 〕酥?，日本大同電子株式會社報告了其開發(fā)的注射成型及模壓成型各向同性釤鐵氮磁體，報告顯示其具備超越目前市場上各向同性粘結(jié)磁體的磁性能，并具有氮化物良好的耐腐蝕及熱穩(wěn)定性?！ 〗鼇?，由于釤鐵氮永磁材料的性能優(yōu)勢開始在市場快速呈現(xiàn)，國內(nèi)也有企業(yè)宣稱進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，但從技術(shù)角度上看，還沒有人提出不同于前述現(xiàn)有的這兩種工藝的技術(shù)路線，還未見有新的專利技術(shù)，從市場上看，還沒有獨立開發(fā)的產(chǎn)品出現(xiàn)。 稀土鐵氮永磁材料的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，主要是指上述高性能稀土鐵氮磁粉的規(guī)?；慨a(chǎn)。制備高性能稀土鐵氮磁體取決于高性能磁粉實現(xiàn)量產(chǎn)這一前提外，還受到以下兩個方面的影響，一是各向異性粘結(jié)磁體成型技術(shù)和裝備的進(jìn)步，二是各向異性磁性材料磁場取向和充磁水平的提高。這兩個方面日本企業(yè)一直處于領(lǐng)先水平。近年來，隨著君磁科技與下游企業(yè)的共同努力和國際合作的拓展，作為高性能稀土鐵氮磁粉的生產(chǎn)企業(yè)，君磁科技已經(jīng)可以在這兩方面為下游應(yīng)用開發(fā)提供處于國際領(lǐng)先水平的技術(shù)支持和工藝指導(dǎo)，很大程度上解決了生產(chǎn)效率和磁場取向兩大瓶頸問題，同時參與終端用戶的電機設(shè)計。
三、稀土鐵氮永磁材料的性能優(yōu)勢及現(xiàn)有產(chǎn)品已達(dá)到的技術(shù)水平
稀土鐵氮永磁材料作為新一代稀土永磁材料，從現(xiàn)有產(chǎn)品可以達(dá)到的技術(shù)水平來看，已表現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢和特點。
一是從資源角度看，這類材料完全不使用重稀土，特別是釤鐵氮，不使用釹、而是使用釤。這一方面可以避免重稀土的原材料成本壓力，另一方面，還可以避免釹的價格波動影響?！ ?/p>
二是從磁性能上看，目前市場上各向異性釤鐵氮磁粉的最大磁能積已是主流稀土粘結(jié)磁粉各向同性釹鐵硼的兩倍以上，居里溫度高于后者150℃以上，且具有優(yōu)異的抗氧化和耐腐蝕性能。
三是稀土鐵氮磁粉具有良好的粒度特性，其D50在2μm左右，遠(yuǎn)低于釹鐵硼磁粉的粒度。這使得稀土鐵氮磁體表現(xiàn)出了更好的力學(xué)性能，成型的自由度更大，而且可以與其他磁粉雜化而進(jìn)一步提高粘結(jié)磁體的密度。這種粒度特征，還可以減少對生產(chǎn)模具的磨損，模具壽命提高50%以上，從而降低生產(chǎn)成本?！ ?/p>
綜合以上性能特征可以看出，稀土鐵氮永磁材料的應(yīng)用開發(fā)，重塑了“粘結(jié)磁”的概念，重構(gòu)了稀土永磁材料的局面，進(jìn)一步為下游電機的設(shè)計和開發(fā)，提供了更開闊的思路和更大的自由度。這種變化，首先表現(xiàn)為“粘結(jié)磁”的性能范圍大幅拓展，以往注射粘結(jié)磁的最高性能通常在10MGOe左右,模壓粘結(jié)磁的最高性能通常12MGOe左右,而現(xiàn)在由于高性能釤鐵氮磁粉的出現(xiàn)，使得注射粘結(jié)磁最高性能已達(dá)18MGOe,模壓粘結(jié)磁最高性能已達(dá)25MGOe以上。這種性能雖然仍低于燒結(jié)釹鐵硼，但由于其作為粘結(jié)磁因而具有更大磁路設(shè)計自由度，使其可以同樣應(yīng)用于以前只能適用燒結(jié)釹鐵硼的一些場景，并表現(xiàn)出高電阻率和高機械性能的優(yōu)勢，尤其適用于高頻高轉(zhuǎn)速電機小型化、輕量化的發(fā)展需要。此外，釤鐵氮磁粉還可以與價格低廉的鐵氧體磁粉制成雜化磁體，在最大磁能積3~7MGOe領(lǐng)域提供更具性價比的粘結(jié)磁體。
由于稀土鐵氮的耐腐蝕特性，通常情況下這類新型粘結(jié)磁體不再像以往稀土粘結(jié)磁那樣需要進(jìn)行表面涂敷防銹，這既環(huán)保又降低了成本?？梢哉f，由于稀土鐵氮的應(yīng)用，“粘結(jié)磁”不再是低磁性材料、不再是僅應(yīng)用于微特電機領(lǐng)域的材料、不再是與稀土燒結(jié)磁無法競爭的材料，而是兼具磁性能涵蓋范圍廣、抗氧化耐腐蝕性能強、機械性能好、電阻率高的新型永磁材料。
從應(yīng)用角度看，稀土鐵氮永磁材料在微特電機領(lǐng)域獨具優(yōu)勢是顯而易見的。而最新的實踐表明，在“少釹”和“無釹”化概念的驅(qū)動下，一些國際知名汽車公司已開始使用這種新型粘結(jié)磁體設(shè)計以往只使用稀土燒結(jié)磁體的電機，明顯例子就是新能源汽車驅(qū)動電機。另一個顯著的例子是，基于稀土鐵氮磁粉的高磁性能和亞微米級粒度特征，在君磁科技使用熱塑性材料開發(fā)出稀土鐵氮磁性彈性體以來，在消費電子領(lǐng)域迅速掀起應(yīng)用開發(fā)熱情，其中“無鹵阻燃磁性彈性體”已在手機、平板電腦充電數(shù)據(jù)線、智能手機表帶等領(lǐng)域展開應(yīng)用。
目前，市場上在售的稀土鐵氮永磁材料產(chǎn)品主要為磁粉、注射磁體用顆粒料及各類粘結(jié)磁體。其中，各向異性釤鐵氮磁粉磁性能高、粒度細(xì)且分布均勻、抗氧化能力強，適宜以注射、模壓、擠出、壓延、3D打印等工藝方法制備各種形態(tài)的新型高性能稀土粘結(jié)磁體，見表2。
釤鐵氮等稀土鐵氮永磁材料通過與鐵氧體磁粉和其他稀土磁粉雜化，使用傳統(tǒng)的PA12、PPS以及環(huán)氧樹脂等制造的粘結(jié)磁體產(chǎn)品，最大磁能積可達(dá)到25MGOe。3~25MGOe的性能范圍不僅可以完全涵蓋目前市場上傳統(tǒng)粘結(jié)磁體性能范圍，還進(jìn)一步突破了粘結(jié)磁體的性能極限。以稀土鐵氮類永磁材料制備的柔性磁體以及磁性彈性體材料也充分利用了該類磁粉材料磁性能高、粒度細(xì)、抗氧化能力強的特點，在實現(xiàn)高磁性能的同時，還可使柔性磁體具有高表面光潔度以及極佳的柔性，使磁性彈性體材料具備良好的拉伸性能和柔韌性，為可穿戴應(yīng)用場景的產(chǎn)品提供了極佳的使用體驗。這種兼具高磁性能和良好力學(xué)性能的特征，也是傳統(tǒng)的鐵氧體及釹鐵硼磁性材料所不具備的，詳見圖1、圖2、圖3、表3。
以釤鐵氮注射磁體為例，使用寧夏君磁新材料科技有限公司生產(chǎn)的MGC12系列釤鐵氮顆粒料，所生產(chǎn)的Halbach正弦四極充磁環(huán)形磁體在φ11.3 × φ5 × 11.6 mm尺寸下，可達(dá)到2900Gs的表面磁通密度；以各向異性釤鐵氮磁性材料生產(chǎn)的無鹵阻燃磁吸數(shù)據(jù)線擠出用顆粒料，可以在0.6mm的厚度條件下實現(xiàn)650Gs的表面磁通密度，并保證良好的柔韌性。
四、稀土鐵氮永磁材料的前景展望
雖然稀土鐵氮永磁材料概念是20世紀(jì)90年代提出的，但就其產(chǎn)業(yè)化開發(fā)和應(yīng)用來說，仍處于初始階段。一是其理論磁性能潛力還遠(yuǎn)未發(fā)揮出來，釤鐵氮的各向異性場是21T,釹鐵硼是9T,理論上釤鐵氮的最大磁能積在60MGOe以上，而目前其粘結(jié)磁粉最高性能僅在40MGOe左右,且稀土鐵氮燒結(jié)磁體尚處于開發(fā)過程中。二是稀土鐵氮材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用開發(fā)還處于初期。稀土鐵氮永磁材料不含重稀土，且不受釹價格波動的影響，基于近年來應(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗的積累，正日益成為行業(yè)實踐中應(yīng)用的新材料。稀土鐵氮永磁器件、電機、消費電子類產(chǎn)品等產(chǎn)業(yè)鏈廠家通過實踐努力，已打破了以往對各向異性永磁材料的固有印象和畏難情緒，正在進(jìn)一步通過器件制備技術(shù)、磁取/充磁技術(shù)的改進(jìn)和提升，擴大稀土鐵氮永磁材料的應(yīng)用范圍。隨著各向異性釤鐵氮磁粉制備技術(shù)的進(jìn)一步完善、低溫?zé)Y(jié)釤鐵氮研究開發(fā)，稀土鐵氮永磁材料將日益成為磁性材料家庭的重要成員，為下游電子信息產(chǎn)業(yè)的升級換代、為人類追求更美好的生活提供重要材料支撐。
本文作者：王心安1 廖思宇1 程本培1,2
1.寧夏君磁新材料科技有限公司 2.北京大學(xué)
注：本文刊登于2024年第6期《稀土信息》，如需轉(zhuǎn)載請注明來源。
