高性能各向异性稀土永磁材料的突破性研发进

稀土永磁材料是当前性能最好的永磁材料。但是，目前商用的快淬钕铁硼磁粉最大磁能积为12~18MGOe，难以满足高端需要，特别是当前电器小型化的发展趋势，急需开发具有高磁能积的各向异性粘结磁体；新能源汽车和混合动力汽车的发展要求，急需要研究和开发具有高矫顽力和高使用温度的各向异性粘结磁体。在此市场背景下，北京大学应用磁学中心就高性能各向异性磁粉以及磁体的研究和开发开展了一系列研究工作，取得了突破性进展。
1990年，北京大学和爱尔兰三一大学发现了在稀土-铁合金中的氮化效应，即通过气-固相反应，把氮原子加入到Nd(Fe,M)12(M=Ti,V,Mo…)或Sm2Fe17中，形成相应的氮化物：钕铁氮和钐铁氮，使稀土合金的磁性得到了全面的，大幅度的提高，其内禀磁性完全可以与钕铁硼媲美。氮间隙原子效应主要表现在两个方面，一方面是改变稀土离子的晶场作用，导致磁晶各向异性发生变化;另一方面是影响铁原子3d电子能带结构，使饱和磁化强度和居里温度升高，这主要是由于铁的原子磁矩增大所致。
稀土氮化物虽然具有优异的内禀磁性，但是采用现有的制造钕铁硼磁粉的工艺，难以规模化制造出高性能磁粉。北京大学通过优化合金的熔炼技术，使用快速凝固技术以及控制氮化的温度、时间和颗粒大小等条件，成功地制备出高性能的NdFe10.5Mo1.5Nx和PrFe10.5V1.5Nx磁粉，磁能积分别为21MGOe和17MGOe。而且NdFe10.5Mo1.5Nx在1.5K低温下表现出3.8T的矫顽力和32MGOe的最大磁能积，显示出其重要的低温应用价值。北京大学开发了合金速凝薄片-粉碎-氮化-球磨工艺流程，制造出了稳定的高性能钐铁氮磁粉，磁粉的矫顽力达到13kOe，剩磁为155emu/g，最大磁能积可达到41~43MGOe。与此同时，他们利用表面活性剂辅助的球磨工艺，在庚烷溶剂中球磨制备各向异性的钐铁氮亚微米颗粒，实现了磁性粉末的防氧化表面包覆。经过一年的抗腐蚀试验证实，这种表面包覆改性粉末显示出良好的耐腐蚀性，表面活性剂辅助球磨获得了分散良好的片状颗粒，并倾向于在磁场作用下一致取向，有利于各向异性粘结磁体的磁场取向成型。
在成功建成年产百吨各向异性钕铁氮磁粉的中试生产线的基础上，北京大学建设了百吨级各向异性钐铁氮磁粉示范生产线。在这条生产线上，他们将速凝工艺运用于Sm2Fe17合金的熔炼，并实现了单炉两百公斤单相性好、微观结构均匀的Sm2Fe17速凝薄片的稳定生产，并在此基础上研究和开发了可适用于Sm2Fe17合金熔炼的200公斤速凝设备。
在上述研究结果基础上，于2013年在国家863计划和北京恒源谷公司的支持下，在北京平谷区建成了百吨级各向异性钐铁氮磁粉的生产线，生产的磁粉性能超过40MGOe，拥有我国自主技术产权和创新特点。（钢研）