稀土元素因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在現(xiàn)代工業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色，被比喻為“現(xiàn)代工業(yè)維生素” 這些元素在永磁材料中的應(yīng)用尤為突出，特別是在新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電、節(jié)能家電等行業(yè)。

早期的永磁材料是以鐵和鐵族元素為重要組元的合金型永磁材料，又稱永磁合金。主要包括鋁鎳鈷（AlNiCo）和鐵鉻鈷（FeCrCo）系2類永磁合金。20世紀(jì)初，通過(guò)鑄造工藝制備而成，也稱鑄造永磁材料。

◎1880年前后，先采用碳鋼制成了永磁材料，最大磁能積（BHmax）約為1.6 kJ/m3。后發(fā)展為鎢鋼、鈷鋼等金屬永磁材料。

◎1931年，研發(fā)出了鐵鎳鋁合金（Fe-Ni-Al），矯頑力超過(guò)400 Oe，后在此基礎(chǔ)上添加了鈷銅鈦（Co、Cu、Ti）等元素。通過(guò)在鐵中添加了鋁鎳鈷（Al、Ni 、Co）3種元素，經(jīng)澆注和熱處理后得到鋁鎳鈷系磁鋼，即著名的鋁鎳鈷磁體（AlNiCo）。

◎1947年，鐵氧體永磁材料的開(kāi)發(fā)降低了永磁體的成本，拓寬了其應(yīng)用范圍，特別是對(duì)于高頻領(lǐng)域和中大功率電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。

◎1960年，釤鈷（SmCo）永磁材料的開(kāi)發(fā)（最初是RCo5，后來(lái)發(fā)展為R2Co17），標(biāo)志著永磁材料的一個(gè)新時(shí)代，這種材料具有高磁能積和良好的高溫穩(wěn)定性，使得電機(jī)可以在較小的體積內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，從而提高了電機(jī)的效率和功率密度。

◎1980年，釹鐵硼（NdFeB）永磁材料的發(fā)明，因其優(yōu)異的磁性能和相對(duì)較低的成本，迅速成為“磁王”，它使得電機(jī)在重量和體積上進(jìn)一步減小，同時(shí)保持和提高磁性能，在許多領(lǐng)域取代了釤鈷材料。

目前的新能源汽車常使用的稀土永磁體就是基于釹鐵硼（NdFeB）材料，其基礎(chǔ)化學(xué)式為Nd2Fe14B，晶體結(jié)構(gòu)是六方晶系，具有極高的磁晶各向異性，這使得材料在磁化后能保持強(qiáng)磁場(chǎng)而不易失去磁性，具有高磁能積和高矯頑力，非常適合用于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于稀土永磁體的高強(qiáng)度磁場(chǎng)，即使在小型化的電機(jī)中也能實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換，這也使得永磁電機(jī)成為新能源汽車的理想選擇。

永磁電機(jī)的工作原理是基于電磁學(xué)的基本定律。在永磁同步電機(jī)（PMSM）中，永磁體通常安裝在轉(zhuǎn)子上，而定子則由繞組構(gòu)成。當(dāng)電流通過(guò)定子繞組時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于永磁體具有固有的磁場(chǎng)，它們會(huì)試圖與定子磁場(chǎng)對(duì)齊，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的速度和方向可以通過(guò)改變施加給定子繞組的電流的頻率和相位來(lái)控制。

那釹鐵硼永磁材料對(duì)于永磁電機(jī)到底有多少提升呢？

前面我們提到過(guò)磁能積，釹鐵硼具有極高的磁能積，這意味著可以產(chǎn)生更強(qiáng)大的磁場(chǎng)。這直接轉(zhuǎn)化為電機(jī)更高的功率密度和效率，允許電機(jī)在更小的體積和重量下工作，這很貼合當(dāng)前新能源電機(jī)的小型化趨勢(shì)。

還有前面提過(guò)的矯頑力是指材料抵抗外部磁場(chǎng)去磁的能力。釹鐵硼具備高矯頑力，使得它能在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中保持磁性，這對(duì)于在復(fù)雜電磁環(huán)境下的電機(jī)運(yùn)行至關(guān)重要。而且釹鐵硼的力能指標(biāo)也不錯(cuò)，力能指標(biāo)是衡量電機(jī)在單位質(zhì)量下輸出的力的量度。釹鐵硼永磁電機(jī)的力能指標(biāo)是優(yōu)于傳統(tǒng)電機(jī)的，這也使其成為高功率密度應(yīng)用的理想選擇。此外，釹鐵硼永磁材料還允許電機(jī)設(shè)計(jì)更大的氣隙，這簡(jiǎn)化了電機(jī)的裝配，也提高了容錯(cuò)率，還能減少電機(jī)噪聲。

盡管釹鐵硼永磁材料性能優(yōu)越，但其熱穩(wěn)定性相對(duì)較差，居里溫度（材料失去永磁性的溫度）較低，大約在310°C左右。在高溫環(huán)境下，釹鐵硼的磁性能會(huì)顯著下降，甚至發(fā)生磁性損失。

一般釹鐵硼的工作溫度為80°C到200°C，在溫度上升時(shí)，釹鐵硼的磁強(qiáng)度會(huì)逐漸降低。一般而言，每升高1攝氏度，釹鐵硼的磁強(qiáng)度會(huì)降低約0.11%。但是，如果溫度不超過(guò)釹鐵硼的最高工作溫度，這種磁性損失是可逆的，冷卻后磁性能可以恢復(fù)。

釹鐵硼有不同的耐溫等級(jí)，這取決于其配方和制造工藝。常見(jiàn)的耐溫等級(jí)包括N（標(biāo)準(zhǔn)級(jí)）、M、H、SH、UH、EH或AH，對(duì)應(yīng)的最高工作溫度從大約80°C到230°C不等。N系列的釹鐵硼標(biāo)準(zhǔn)耐溫約為80°C，而在高溫環(huán)境下工作的釹鐵硼（如EH或AH級(jí)）可以承受高達(dá)200°C以上的溫度。

當(dāng)然熱穩(wěn)定性可以通過(guò)多種方式得到改善，例如在制造過(guò)程中添加一些稀土元素，但能夠在 120°C 以上工作的釹磁材料會(huì)變得非常昂貴，例如在釹鐵硼合金中添加鏑（Dy）或鋱（Tb）等重稀土元素可以顯著提高其熱穩(wěn)定性。這些元素可以替換部分釹原子，形成更穩(wěn)定的相，從而提高矯頑力和居里溫度，但這些元素不僅價(jià)格更高，而且供應(yīng)量也有限，成本的增加不言而喻。

■圖片來(lái)源：勝德磁業(yè)

此前，在在NE時(shí)代2024xEV電驅(qū)動(dòng)論壇期間，金龍稀土和正海磁材的演講中都提到過(guò)技術(shù)，旨在通過(guò)將這些元素滲透到晶界，來(lái)提升磁體的矯頑力，而不需過(guò)多依賴昂貴的重稀土元素

也可以減小晶粒尺寸到納米級(jí)別來(lái)增加材料內(nèi)部的界面，從而提高磁體的熱穩(wěn)定性和抗退磁能力。亦或者采用表面處理（如鋅、鎳、電泳、鈍化等）來(lái)增加氧化層，從而提高釹磁鐵的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。

當(dāng)前很多企業(yè)都在強(qiáng)調(diào)減少對(duì)高價(jià)稀土元素的依賴，比如探索鈰基磁體等替代材料，（鈰（Ce）是一種相對(duì)較便宜且儲(chǔ)量豐富的稀土元素，相比鏑（Dy）和鋱（Tb）等其他稀土元素，鈰的價(jià)格更加穩(wěn)定），釤鐵氮磁體可以制成粘結(jié)磁體，通過(guò)將釤鐵氮磁粉與粘接劑混合，可以制備出具有設(shè)計(jì)靈活性的高性能粘結(jié)磁體，適用于各種形狀和尺寸的磁路設(shè)計(jì)。

稀土鐵碳（Re-Fe-C）永磁材料：另一種正在研究的第四代材料，它的目標(biāo)是通過(guò)碳的加入來(lái)改進(jìn)磁性能和成本效益，同時(shí)減少對(duì)某些稀有且昂貴的稀土元素的依賴，但是目前，稀土鐵碳磁體的磁性能，尤其是在高溫度下的穩(wěn)定性，還不足以與高性能的釹鐵硼磁體相媲美。

回收與再利用也是目前的大方向之一，開(kāi)發(fā)高效的磁體回收技術(shù)，包括機(jī)械破碎、化學(xué)溶解和磁選等，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。

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