“雙碳”下的“磁王”軟肋：釹鐵硼耐高溫與抗腐蝕技術(shù)瓶頸攻關(guān)

作為第三代稀土永磁材料，釹鐵硼（Nd2Fe14B）自1983年問世以來，以其卓越的磁性能迅速成為現(xiàn)代工業(yè)的核心功能材料，理論磁能積高達(dá)512 kJ/m3（64 MGOe），綜合性能遠(yuǎn)超鐵氧體和釤鈷永磁體。

在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，釹鐵硼在新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電、人形機(jī)器人等綠色經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的需求激增。制造一臺2.5MW的永磁直驅(qū)風(fēng)電電機(jī)，就需要消耗約1噸的釹鐵硼永磁材料。

然而，這位“磁王”存在兩大固有缺陷：居里溫度偏低（310-340℃）導(dǎo)致高溫磁衰減顯著，以及易腐蝕特性需依賴表面鍍層防護(hù)。隨著應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，攻克這些技術(shù)瓶頸已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

高溫環(huán)境下的性能衰減挑戰(zhàn)

釹鐵硼磁體的高溫性能穩(wěn)定性是制約其在高功率密度電機(jī)中應(yīng)用的關(guān)鍵因素。釹鐵硼的矯頑力溫度系數(shù)通常為負(fù)值，約在-0.4%至-0.7%/℃之間，意味著隨著溫度升高，其抗退磁能力顯著下降。

以常見的N52牌號為例，在20°C時矯頑力可達(dá)12kOe，但當(dāng)溫度升至100°C時，可能降至8-9kOe。這種衰減源于兩方面：一是磁晶各向異性場隨溫度升高而降低，高溫下原子熱振動加劇，削弱了晶格對磁矩取向的釘扎作用；二是富釹晶界相在高溫下可能軟化或氧化，削弱對磁疇壁移動的阻礙能力。

在航空航天、新能源汽車驅(qū)動電機(jī)等高溫應(yīng)用場景中，釹鐵硼磁體往往需要長時間在150°C以上環(huán)境工作。傳統(tǒng)釹鐵硼磁體在此條件下會出現(xiàn)明顯不可逆退磁，導(dǎo)致電機(jī)效率下降甚至失效。李衛(wèi)院士指出，“重稀土的過度添加觸及了兩個永磁體發(fā)展的障礙性因素”：一是重稀土資源稀缺且價(jià)格昂貴，二是會降低材料的剩磁和磁能積。

腐蝕防護(hù)技術(shù)與應(yīng)用局限

釹鐵硼磁體多相微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其易受電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)同樣不容忽視。在燒結(jié)釹鐵硼的微觀結(jié)構(gòu)中，不同相間存在電極電位差，形成原電池反應(yīng)條件，加速材料腐蝕。

特別是在海上風(fēng)電、汽車雨淋環(huán)境等高濕度、高鹽分應(yīng)用中，腐蝕問題尤為突出。傳統(tǒng)防護(hù)方案如電鍍工藝存在明顯局限：電鍍過程消耗大量貴金屬并產(chǎn)生含重金屬廢水，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染；普通涂料的耐腐蝕性和附著力有限，防護(hù)周期短，頻繁維護(hù)增加了企業(yè)運(yùn)營成本。

研究表明，釹鐵硼的腐蝕不僅影響磁性能，還會導(dǎo)致磁體結(jié)構(gòu)完整性受損。在極端情況下，腐蝕可導(dǎo)致磁粉化，使整個磁體失效。這對于要求長壽命、高可靠性的應(yīng)用領(lǐng)域如風(fēng)電、新能源汽車等構(gòu)成嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

晶界擴(kuò)散技術(shù)突破高溫瓶頸

面對高溫穩(wěn)定性挑戰(zhàn)，晶界擴(kuò)散技術(shù)被認(rèn)為是近年來最重要的突破。該技術(shù)通過在磁體表面引入重稀土元素Dy或Tb，再經(jīng)熱處理使重稀土原子沿晶界擴(kuò)散，選擇性置換主相晶粒表層的Nd原子，形成（Nd，Dy，Tb）2Fe14B固溶體。

與傳統(tǒng)合金化方法相比，晶界擴(kuò)散法可以更低的重稀土用量獲得高矯頑力磁體，有效緩解了重稀土資源短缺問題。實(shí)驗(yàn)表明，采用該技術(shù)制備的磁體在150°C下矯頑力衰減可減少50%以上。

雙主相技術(shù)是另一項(xiàng)有前景的解決方案。通過將Nd2Fe14B基合金與高豐度稀土合金（如Ce2Fe14B）復(fù)合，形成核殼結(jié)構(gòu)晶粒，在降低重稀土用量的同時，實(shí)現(xiàn)高剩磁、高矯頑力及磁能積的平衡。

此外，晶界調(diào)控通過優(yōu)化配方和工藝，改善晶界相的成分和分布，也能有效提升矯頑力。研究表明，添加Ga元素可實(shí)現(xiàn)高矯頑力磁體，如典型產(chǎn)品N48H已在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

綠色防護(hù)技術(shù)應(yīng)對腐蝕挑戰(zhàn)

在腐蝕防護(hù)領(lǐng)域，技術(shù)創(chuàng)新同樣活躍。飛尚公司開發(fā)的綠色復(fù)合涂層采用多相多元復(fù)合溶膠為成膜基質(zhì)，并通過無機(jī)微納復(fù)合功能顆粒的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)性能強(qiáng)化。這種涂層構(gòu)建了“高抗?jié)B防腐”和“高硬強(qiáng)結(jié)合”雙重防護(hù)機(jī)制。

在環(huán)保方面，新型綠色涂層摒棄了傳統(tǒng)重金屬電鍍，采用低（無）溶劑配方、低溫固化工藝，生產(chǎn)過程清潔環(huán)保。經(jīng)嚴(yán)苛鹽霧測試，其防護(hù)性能可超過1000小時，特別適用于海上風(fēng)電等重防腐要求的環(huán)境。

中國計(jì)量大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)則開發(fā)了更具前瞻性的防護(hù)方案——采用鈰鹽改良的雙硅烷膜。該技術(shù)通過電化學(xué)輔助沉積，實(shí)現(xiàn)一步法制備鈰/雙硅烷復(fù)合膜，展現(xiàn)出超疏水性（接觸角為152°）和極強(qiáng)的耐腐蝕性，對腐蝕電流的抑制效能達(dá)到74.6%。這種新型膜層不僅防護(hù)性能優(yōu)異，而且對釹鐵硼基體的磁性能影響極小，為釹鐵硼的環(huán)保型防護(hù)涂層提供了新方向。

在材料本身抗腐蝕性提升方面，通過添加微量元素改善晶界相成分，減少晶界上富稀土相，可提高基體的本征耐腐蝕能力。李衛(wèi)院士指出：“提高釹鐵硼磁體的抗腐蝕能力有兩條途徑：一是添加微量元素的方式提高釹鐵硼磁體基體的抗腐蝕性能；二是采用合適的表面防護(hù)技術(shù)?！?/p>

未來發(fā)展趨勢與展望

隨著“雙碳”戰(zhàn)略深入推進(jìn)，釹鐵硼材料面臨的需求增長與性能挑戰(zhàn)并存。未來技術(shù)發(fā)展將呈現(xiàn)多元化趨勢：

一方面，材料性能優(yōu)化將持續(xù)深入。晶界擴(kuò)散技術(shù)將進(jìn)一步完善，重稀土減量化甚至無重稀土高性能釹鐵硼將成為研究重點(diǎn)。高豐度稀土元素（如鑭、鈰）的應(yīng)用技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)突破，促進(jìn)稀土資源平衡利用。

另一方面，綠色化制造將成為必然要求。從原材料提取、磁體制備到廢棄回收，全生命周期的環(huán)境影響將受到嚴(yán)格約束。綠色防護(hù)涂層、低溫固化工藝等環(huán)保技術(shù)將得到更廣泛應(yīng)用。

回收利用技術(shù)發(fā)展也至關(guān)重要。隨著早期應(yīng)用的釹鐵硼磁體進(jìn)入報(bào)廢期，建立高效的回收再生體系將成為產(chǎn)業(yè)鏈重要一環(huán)。這不僅有助于緩解稀土資源壓力，也能減少新材料生產(chǎn)的環(huán)境足跡。

未來，隨著晶界擴(kuò)散技術(shù)優(yōu)化、綠色防護(hù)涂層創(chuàng)新以及資源循環(huán)利用體系完善，釹鐵硼這一“永磁之王”必將在“雙碳”征程中發(fā)揮更大價(jià)值。

參考來源：

李衛(wèi)院士：砥礪奮進(jìn) 打造世界級稀土“航母”

中國計(jì)量大學(xué)：采用鈰鹽改良的雙硅烷膜提升燒結(jié)釹鐵硼的耐蝕性

科普中國網(wǎng)、中國粉體網(wǎng)等