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宁波材料所:在钇混合稀土永磁材料研发和产业化方面取得

在稀土永磁领域,利用稀土元素替代实现对磁体硬磁相内禀磁性调节在产业界的应用已经较为成熟,尤其是以重稀土元素Dy、Tb进行元素替代,然而高丰度低成本稀土元素La、Ce、Y在稀土永磁材料中的应用相对较少,造成高丰度稀土La、Ce、Y的囤积和浪费。因此,针对稀土资源的分布和应用不平衡的现状,发展高丰度稀土元素在永磁材料中的应用成为重要的方向。近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所稀土磁性功能材料实验室针对南方离子型中、高钇矿的特点,在高丰度钇混合稀土永磁材料研发和产业化方面取得系列进展,通过对硬磁主相的结构设计与界面分布的优化调控,开发出具有优异耐温特性的高矫顽力磁体,突破了高丰度稀土元素在永磁领域的应用瓶颈。
       烧结Nd-Fe-B永磁体的磁性能取决于磁体的相组成及微观结构,而磁体相组成和微观结构主要由制备过程中合金元素冶金行为控制,研究人员首先系统研究了高丰度稀土元素La/Ce/Y在磁体制备过程中的分布及迁移特征,澄清其对合金成相及微观组织结构的影响规律。研究发现在速凝过程中,La和Ce在合金的晶界相中大量富集,Y主要富集于合金的2:14:1主相中,分析表明Y的引入可以稳定四方相,避免La、Ce对硬磁相结构的破坏。在后续工艺过程中,Y则进一步从晶界向主相晶粒内部偏聚。图1反映了这种稀土冶金行为造成的不同高丰度稀土元素在合金内分布的差异性。
       基于对该冶金行为特征及磁体反磁化机理的认识,研究人员进一步提出了Y在主相内部偏聚的结构设计思路,并获得了Y偏聚于主相晶粒核心的核壳结构,如图2所示,晶粒表层的较低的Y含量使得主相晶粒具有更高各向异性场的壳层区域,能够有效抑制晶粒表面的反磁化形核过程,增强磁体的矫顽力。进一步通过合理设计晶界成分,利用晶界相区域的溶解析出作用,解决由于晶粒生长及稀土钇元素强烈的迁移偏聚行为造成的晶粒黏连、晶界相缺失及偏聚的难题,成功实现了连续均匀的晶界相对核壳结构硬磁相的包覆,有效增强了晶粒间的磁隔离效应,使得高丰度钇混合稀土磁体表现出较高的室温矫顽力及优异的耐温特性,在Y替代Nd40%之内均可获得最大磁能积大于40MGOe的磁性能,Y替代15%Nd获得矫顽力大于17kOe的磁性能,综合性能优于Ce取代磁体。该研究结合主相结构调控及晶界增强技术,解决了高丰度稀土磁体成相难及结构不均匀的问题。
       相关研究成果相继发表在IEEE Trans. Magn.(2015, 51(8): 1-4)、Appl. Phys. Lett.(2017, 110(17): 172405)、Acta Mater.(154 (2018) 343-354) 等学术期刊上,受到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。该团队正与中国稀土六大集团之一的中国铝业进行合作,开发高丰度钇混合稀土磁体产业化技术,在中铝集团的生产基地初步实现了技术转移和批量牌号的生产(如图3所示),并在2018年6月于常州举办的江苏稀土新材料产业发展论坛上进行了相关成果推介,受到稀土产业链相关单位的广泛关注。(中国科学院宁波工业技术研究院筹)
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宁波材料所:在钇混合稀土永磁材料研发和产业化方面取得

在稀土永磁领域,利用稀土元素替代实现对磁体硬磁相内禀磁性调节在产业界的应用已经较为成熟,尤其是以重稀土元素Dy、Tb进行元素替代,然而高丰度低成本稀土元素La、Ce、Y在稀土永磁材料中的应用相对较少,造成高丰度稀土La、Ce、Y的囤积和浪费。因此,针对稀土资源的分布和应用不平衡的现状,发展高丰度稀土元素在永磁材料中的应用成为重要的方向。近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所稀土磁性功能材料实验室针对南方离子型中、高钇矿的特点,在高丰度钇混合稀土永磁材料研发和产业化方面取得系列进展,通过对硬磁主相的结构设计与界面分布的优化调控,开发出具有优异耐温特性的高矫顽力磁体,突破了高丰度稀土元素在永磁领域的应用瓶颈。
       烧结Nd-Fe-B永磁体的磁性能取决于磁体的相组成及微观结构,而磁体相组成和微观结构主要由制备过程中合金元素冶金行为控制,研究人员首先系统研究了高丰度稀土元素La/Ce/Y在磁体制备过程中的分布及迁移特征,澄清其对合金成相及微观组织结构的影响规律。研究发现在速凝过程中,La和Ce在合金的晶界相中大量富集,Y主要富集于合金的2:14:1主相中,分析表明Y的引入可以稳定四方相,避免La、Ce对硬磁相结构的破坏。在后续工艺过程中,Y则进一步从晶界向主相晶粒内部偏聚。图1反映了这种稀土冶金行为造成的不同高丰度稀土元素在合金内分布的差异性。
       基于对该冶金行为特征及磁体反磁化机理的认识,研究人员进一步提出了Y在主相内部偏聚的结构设计思路,并获得了Y偏聚于主相晶粒核心的核壳结构,如图2所示,晶粒表层的较低的Y含量使得主相晶粒具有更高各向异性场的壳层区域,能够有效抑制晶粒表面的反磁化形核过程,增强磁体的矫顽力。进一步通过合理设计晶界成分,利用晶界相区域的溶解析出作用,解决由于晶粒生长及稀土钇元素强烈的迁移偏聚行为造成的晶粒黏连、晶界相缺失及偏聚的难题,成功实现了连续均匀的晶界相对核壳结构硬磁相的包覆,有效增强了晶粒间的磁隔离效应,使得高丰度钇混合稀土磁体表现出较高的室温矫顽力及优异的耐温特性,在Y替代Nd40%之内均可获得最大磁能积大于40MGOe的磁性能,Y替代15%Nd获得矫顽力大于17kOe的磁性能,综合性能优于Ce取代磁体。该研究结合主相结构调控及晶界增强技术,解决了高丰度稀土磁体成相难及结构不均匀的问题。
       相关研究成果相继发表在IEEE Trans. Magn.(2015, 51(8): 1-4)、Appl. Phys. Lett.(2017, 110(17): 172405)、Acta Mater.(154 (2018) 343-354) 等学术期刊上,受到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。该团队正与中国稀土六大集团之一的中国铝业进行合作,开发高丰度钇混合稀土磁体产业化技术,在中铝集团的生产基地初步实现了技术转移和批量牌号的生产(如图3所示),并在2018年6月于常州举办的江苏稀土新材料产业发展论坛上进行了相关成果推介,受到稀土产业链相关单位的广泛关注。(中国科学院宁波工业技术研究院筹)