【稀土峰会】中科院博导:着手技术研发优化稀土利用 保持稀土产业战略优势

来源:SMM

中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员、博士生导师陈仁杰在2019中国稀土永磁产业市场应用发展论坛上对高性能稀土永磁材料关键技术进行了详细的分析,聚集重稀土减量化、稀土资源综合平衡利用、新型近终成型技术等当前稀土永磁材料研究者和生产者重点关注的方向。

SMM 9月23日讯:中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员、博士生导师陈仁杰在2019中国稀土永磁产业市场应用发展论坛上对高性能稀土永磁材料关键技术进行了详细的分析,并聚集重稀土减量化、稀土资源综合平衡利用、新型近终成型技术等当前稀土永磁材料研究者和生产者重点关注的方向。

稀土是不可再生的重要战略资源,在新能源、新材料、节能环保、航空航天、电子信息等领域的应用日益广泛,是现代工业中不可或缺的重要元素。其中稀土永磁材料是稀土应用领域中发展最快和产值最大的领域,在国防军工、工业生产、人类生活等各个领域中都有着广泛而不可替代的应用。“中国制造2025”计划将稀土永磁材料列为新材料领域中重点发展方向之一。高性能稀土永磁材料研发有利于器件小型化、轻量化、智能化和高能量转化效率,能有效推进轨道交通装备、节能与新能源汽车的发展。新兴的应用领域不仅要求永磁材料具有高的剩磁和磁能积,以满足高功率密度或高扭矩的应用需求,同时要求材料具有高矫顽力来获得满足小型化和高温度稳定性。发展对高性能磁体的温度稳定性起关键作用的昂贵稀缺资源Dy、Tb的高质化利用,推动廉价高丰度稀土的规模化应用,开发资源节约型高性能稀土永磁材料,实现稀土资源的高效平衡利用,保持我国在稀土产业上的战略优势和国家安全,具有重要的战略意义和巨大的经济社会效益。

本文聚集重稀土减量化、稀土资源综合平衡利用、新型近终成型技术等当前稀土永磁材料研究者和生产者重点关注的方向,介绍近期我们取得的一些研究进展。主要内容如下。

1.高稳定性烧结钕铁硼永磁体重稀土高质化利用技术

昂贵的重稀土元素(镝和铽)以其形成的永磁相具有高的抗退磁和耐高温能力,在稀土永磁材料特别是耐高温高矫顽力稀土永磁材料中起到关键的作用。随着实际应用对低成本高矫顽力高稳定性磁体需求的增加,重稀土高质化利用技术迅速成为研究和产业需求的重点。我们系统地研究了晶粒细化及晶界结构对矫顽力的增强规律和机制,通过关键工艺过程控制及新型涡流感应处理技术开发,促进形成均匀细小的晶粒组织与连续的晶界相分布,显著提高了无重稀土永磁材料的磁性能和稳定性,达到国际先进水平,相比传统技术制备同等性能的磁体可以节省2-3 wt.%的重稀土元素,原材料成本降低20%以上,具有极大的市场竞争力,相关成果目前已实现产业化推广。我们进一步通过技术方法的不断创新和提高,充分挖掘了重稀土元素的应用潜能,利用电泳沉积、自动喷涂等工艺在磁体表面沉积均匀连续、厚度可控的重稀土化合物涂层,经晶界扩散处理实现无重稀土磁体中扩散0.81wt%Tb时矫顽力提升~10 kOe;扩散后磁体磁能积偏差小于1%,矫顽力偏差小于2.5%,实现了磁体矫顽力精确调控,解决了薄片产品一致性的难题,与目前普遍采用的涂覆、热蒸发、溅射等方法相比,极大地降低了产业化装备的投入。在此基础上,发明了一种重稀土氢化物/铝复合晶界扩散技术,通过铝与重稀土的共扩散,降低了晶界相中的重稀土浓度,减小了晶粒富重稀土壳层厚度,显著降低了重稀土使用量;同时利用铝优化晶界结构、弱化晶界相铁磁性,增强晶间去磁耦合作用,保障了矫顽力的提升效果,进一步降低重稀土使用量74%以上。

2.新型高丰度稀土永磁材料开发与产业化

在高丰度稀土永磁材料研发方面,相对廉价且丰度较高的镧、铈、钇等稀土元素在稀土永磁材料中的应用一直是重要的发展方向。稀土元素具有伴生的特点,开发混合稀土永磁材料不仅能够促进高丰度稀土的普遍利用,减少稀土分离提纯工艺的步骤,显著降低磁体的原材料成本,而且能使材料保持较高的永磁性能。本文系统研究了高丰度元素La/Ce/Y对磁体微观组织结构的影响,设计并开发了高丰度稀土偏聚于主相晶粒核心的核壳结构,有效抑制晶粒表面反磁化过程,显著提升磁体的矫顽力及温度稳定性;在此基础上,我们与合作企业成功实现N45/42M/38H等多个系列高丰度稀土永磁产品的产业化中试,开发的高丰度永磁体原材料成本相比同等性能的烧结钕铁硼降低约30~40%,在需求量巨大的稀土永磁材料应用领域具有极大的竞争力和应用前景,对于解决我国稀土资源平衡利用的国家战略问题,推动稀土永磁产业可持续发展具有重要意义。

3.辐射/多极取向环形磁体产业化关键技术与装备

虽然我国稀土永磁材料产量已接近全球总产量的90%,但辐射/多极取向环形磁体等高附加值产品的核心技术仍被国外企业垄断。辐射/多极取向钕铁硼环形磁体具有输出波形稳定、输出功率高、电机装配相对简单等优势,未来的需求潜力巨大,有望成为稀土永磁产业新的增长点。国务院《十三五国家科技创新规划》中“稀土功能材料”被列为重点发展的战略新材料,提出“发展变革性的材料研发与绿色制造新技术,重点是……短流程、近终形、高能效、低排放为特征的材料绿色制造技术……”。此外,工信部《稀土行业发展规划(2016-2020年)》首次明确提出要发展热压磁体及辐射环,满足伺服电机、汽车转向助力系统、陀螺仪、微特电机等应用需求。

由于缺乏核心关键技术与装备、整体制造业水平较低等客观因素,我国辐射/多极取向环形磁体的研究和产业化开发起步较晚,尚未实现大规模的生产和应用。我们率先在国内开展新型热压稀土永磁材料的研发,成功开发出国内首台用于稀土永磁材料制备的热压装备,解决了磁体开裂、收得率低和产业化制备技术及充磁技术不成熟等问题,发明了压力辅助晶界扩散技术和层状复合磁体制备技术,实现了磁体组织结构的优化和磁性能的提升,开发了系列规格和牌号的高性能环形磁体,环形磁体表面磁通的不均匀度降低到5%以下,材料的收得率提高至85%以上,打破了发达国家在辐射/多极取向环形磁体产业化技术的垄断。

4. 高性能高稳定性2:17型钐钴永磁材料

2:17型钐钴永磁材料兼具良好的磁性能和优异的温度稳定性,是现有最佳的耐温型稀土永磁材料。随着我国轨道交通、航空航天、微波通讯等高端科技领域的飞速发展,对2:17型钐钴永磁材料磁性能和温度稳定性提出了更苛刻的要求。2:17型钐钴磁体磁性能源于其特殊的胞状组织结构,但目前磁性能及其温度稳定性与组织结构依赖关系的认识依然不充分,同时磁体制备流程冗长,对精细结构的调控缺乏科学依据与有效手段,严重制约了磁性能和温度稳定性的提升。我们基于对组织结构和磁性能的深入研究,阐明了2:17型钐钴永磁材料制备过程中显微组织结构演变行为及其对磁性能的影响规律;在此基础上,通过引入微量大直径和低电负性原子显著提升合金吸氢能力,实现高效率氢破制粉技术突破;并发展了磁体微观组织结构精细调控技术,实现了胞壁相尺寸和磁性质的有效调控,降低了晶界缺陷和杂相对磁性能的不利影响;开发出了高铁含量磁能积超过33 MGOe的超高性能2:17型钐钴磁体和超高温度稳定性的2:17型钐钴磁体,在20~100°C范围(高精度导航系统应用温区),剩磁温度系数为-0.01 %/°C,同时矫顽力温度系数为-0.026 %/°C,较传统高稳定性钐钴磁体,保持低剩磁温度系数的同时,矫顽力温度系数优化约1个数量级,达到国际领先水平。依托所开发的技术生产的高性能和高稳定性钐钴永磁产品已在大功率永磁电机、加速度传感器和微波通讯器件等领域实现推广应用。

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