三大永磁材料：從鐵氧體到釹鐵硼的技術(shù)演進(jìn)與應(yīng)用

永磁材料作為一種能夠持續(xù)保持磁性的功能材料，已成為現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的基礎(chǔ)元素。目前廣泛應(yīng)用的三種永磁材料——鐵氧體永磁、釤鈷永磁和釹鐵硼永磁，它們在各目的性能、成本和適用領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，共同構(gòu)成了當(dāng)代永磁材料體系的核心。

1 鐵氧體永磁：性價比之選

作為產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的永磁材料，鐵氧體永磁以其高性價比和優(yōu)良的高頻特性在市場中占據(jù)穩(wěn)固地位。鐵氧體永磁主要包括鋇鐵氧體(BaFe12O19)和鍶鐵氧體(SrFe12O19)，具有六方磁鉛石晶體結(jié)構(gòu)。

鐵氧體永磁材料磁晶各向異性大，矯頑力高，剩磁適中，且因其不含有Ni、Co、稀土等高價金屬元素，成本最為低廉。與金屬永磁材料相比，鐵氧體電阻率高，特別適合高頻應(yīng)用場景，化學(xué)穩(wěn)定性好，不易氧化。但其最大磁能積較低，溫度穩(wěn)定性差，質(zhì)地脆而不耐沖擊振動，限制了其在精密儀器領(lǐng)域的應(yīng)用。

制備工藝上，鐵氧體永磁主要采用陶瓷工藝法（固相反應(yīng)法），包括預(yù)燒、破碎、制粉、壓制成型、燒結(jié)和磨加工等流程。也可通過化學(xué)共沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱合成法等濕化學(xué)法制備，這些方法能獲得更均勻的顆粒分布，但工業(yè)上仍以陶瓷法為主。

圖源：龍磁科技

鐵氧體永磁廣泛應(yīng)用于工藝品、吸附件、玩具、電機(jī)、傳感器、醫(yī)療器械、揚聲器等中低端領(lǐng)域。據(jù)估計，鐵氧體永磁產(chǎn)值約為稀土永磁的1.5倍，是目前用量最大、應(yīng)用最廣的永磁材料。

2 釤鈷永磁：高溫環(huán)境下的穩(wěn)定強者

釤鈷永磁材料代表了稀土永磁材料的開端，分為第一代SmCo5（1:5型）和第二代Sm2Co17（2:17型）兩種類型。

釤鈷永磁具有卓越的高溫穩(wěn)定性和抗氧化性。SmCo5的居里溫度可達(dá)720℃，而Sm2Co17的居里溫度更是高達(dá)850℃，在高溫環(huán)境下磁性能保持率超過85%。其磁能積在14-32MGOe之間，矯頑力高，且磁溫度系數(shù)低，磁性極為穩(wěn)定。釤鈷永磁的抗氧化性極佳，無需表面鍍層防護(hù)，這一點顯著優(yōu)于釹鐵硼永磁。

生產(chǎn)工藝方面，釤鈷采用真空熔煉→制粉→成型→燒結(jié)的粉末冶金流程。生產(chǎn)過程中需精確控制溫度梯度與氣氛環(huán)境，添加銅粉末以調(diào)控相結(jié)構(gòu)，通過三維原子探針技術(shù)證實晶界相完整性對磁性能有重要影響。

圖源：天和磁材

釤鈷永磁主要應(yīng)用于高端領(lǐng)域：航空航天（衛(wèi)星姿態(tài)控制力矩器、航天器慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）、國防軍工（魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)、雷達(dá)波導(dǎo)管聚焦裝置）、精密儀器（核磁共振成像設(shè)備磁體、粒子加速器磁路系統(tǒng)）等。近年來，在5G基站環(huán)形器、高速軌道交通牽引電機(jī)等新興領(lǐng)域也展現(xiàn)了應(yīng)用潛力。

3 釹鐵硼永磁：當(dāng)代磁王

釹鐵硼永磁是第三代稀土永磁材料，由日本和美國于1982年共同發(fā)現(xiàn)，1983年實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。其主要成分為Nd2Fe14B相，化學(xué)組成大致為Nd36%，F(xiàn)e63%，B約為1%。

釹鐵硼永磁的最大優(yōu)勢在于其卓越的磁性能：高磁能積（商業(yè)產(chǎn)品達(dá)199-400kJ/m3，實驗室樣品高達(dá)450kJ/m3）、高矯頑力以及高剩磁密度。同時，由于采用資源豐富且廉價的Fe和Nd替代價格昂貴的鈷和釤，成本大幅降低，非常適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

圖源：寧波韻升

釹鐵硼永磁根據(jù)生產(chǎn)工藝可分為燒結(jié)、粘結(jié)和熱壓三種類型。燒結(jié)釹鐵硼是綜合性能最出色的“磁材之王”，通過氣流磨制粉后冶煉而成，占據(jù)釹鐵硼永磁90%以上的市場份額。

粘結(jié)釹鐵硼是將釹鐵硼粉末與樹脂等粘結(jié)劑混合后通過壓縮、擠壓或注射成型制成，產(chǎn)品一次成形，可直接做成各種復(fù)雜形狀。熱壓釹鐵硼則通過熱壓/熱變形技術(shù)制備，具有致密度高、磁性能好、耐高溫性好等優(yōu)點。

目前釹鐵硼永磁也存在兩大挑戰(zhàn)：居里溫度較低（約312℃），限制其高溫使用范圍（最高使用溫度約150℃）；容易氧化，耐腐蝕性欠佳，需要采取鍍層或涂層等保護(hù)措施。

作為應(yīng)用最廣泛的稀土永磁材料，釹鐵硼已滲透到風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車、節(jié)能家電、機(jī)器人、消費電子等眾多領(lǐng)域。隨著以特斯拉為代表的廠商加碼布局人形機(jī)器人賽道，預(yù)計2025年，全球稀土永磁材料總產(chǎn)量將達(dá)到31萬噸，市場空間十分廣闊。

4 三種材料對比與未來展望

表：三種永磁材料性能對比

未來永磁材料將向高性能低成本、高使用溫度、高穩(wěn)定和可靠性方向發(fā)展。釤鐵氮(Sm-Fe-N)永磁材料作為第四代稀土永磁材料的候選，飽和磁化強度高達(dá)1.54T，居里溫度達(dá)470℃，且具備良好抗氧化性能，但目前仍處于實驗室研發(fā)階段。

納米復(fù)合永磁材料也展現(xiàn)出潛力，通過硬磁相和軟磁相之間的交換耦合作用，有望實現(xiàn)更高磁能積，同時減少稀土用量，降低合金價格。

隨著新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電、機(jī)器人等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，高性能永磁材料的需求將持續(xù)增長。據(jù)行業(yè)預(yù)測，到2025年全球稀土永磁材料總產(chǎn)量將達(dá)到31.0萬噸。

永磁材料雖小，卻是現(xiàn)代工業(yè)的隱形支柱。從音響到風(fēng)電，從手機(jī)到航天，這些看似普通的材料正在無聲地推動著技術(shù)革命的前進(jìn)。

參考來源：

程春東：稀土永磁材料在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

羅曄：永磁材料的研究動向和未來研究方向

中國粉體網(wǎng)等