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技术@前沿研究丨稀土永磁体的前景展望


本文选自中国工程院院刊《Engineering》2020年第2期
作者：J.M.D. Coey
来源：Perspective and Prospects for Rare Earth Permanent Magnets[J].Engineering,
2020,6(2):118-130.
一、引言
自铁器时代以来 ， 含铁的物体与永磁体之间一定距离的吸引力一直是儿童和初学者好奇心的来源 。 最早的磁铁是天然磁化的富含氧化铁的石头 。 后来对磁性现象尤其是磁化方向特性的研究 ， 使得人们在11世纪发明了罗盘用钢丝磁铁 ， 在18世纪发明了钢棒和马蹄形磁铁 。 虽然这些永磁体在19世纪的电磁革命中起着很小的作用（当时 ， 电磁体是更好的产生磁场的方法） ， 但是钢丝是最早用于磁记录演示的介质 。
20世纪的一系列实践创新 ， 尤其是发现和开发具有足够各向异性的、无论形状如何都能保持其磁化强度的新材料 ， 标志着永磁技术革命的开始 ， 而现在该技术革命仍在不断发展 。 含铁磁性的钴或铁的稀土新合金是该革命一项里程碑式的发现 。 如今 ， 这些稀土永磁体为大量的实际应用领域提供所需的磁场 。 能量存储在磁体附近产生的“杂散”磁场中 ， 产生的能量并不大 ， 相比而言 ， 从一粒米中可获得的化学能要比1kg最好的Nd-Fe-B（约50J）杂散场中存储的磁能更多 ， 但是磁场不需要持续消耗能量 ， 并且与场相关的能量不会因使用而减少 。
二、经济背景
永磁体是块状功能磁性材料 ， 近几十年来其发展受到原材料成本的强烈影响 。 尽管几乎任何元素都可以用于制造薄膜器件 ， 无论是用于电触点的金 ， 用于记录介质的铂合金 ， 用于间隔层或种子层的钌 ， 还是用于交换偏置的铱合金 ， 但不能设想将这些金属用于永磁体 ， 因为它们都太贵了 。 图1显示了较新的成本周期表 。 永磁材料的选择仅限于前三个成本类别（图中为蓝色、黄色和粉红色） 。
技术@前沿研究丨稀土永磁体的前景展望
本文插图

图1 （a）分为5个不同成本类别的元素周期表；
（b）磁性元素的地壳丰度 ， 以对数尺度绘制
目前 ， 稀土永磁体的年产量约为1.4×105t ， 全球80%的稀土金属供应量来自中国 。 开发替代供应来源需要对矿山进行长期风险投资 。 然而 ， 澳大利亚、加拿大、巴西、南非、越南、瑞典和其他地方目前正在研究或开发中的某些新前景将来可能会成为稀土金属的重要来源 。 美国目前没有生产稀土 ， 但美国仍然是稀土产品的主要市场 。
从历史上看 ， 稀土永磁体的发展因战略性原材料的供应危机而中断 。 2018年 ， 钕价格稳定在70美元·kg–1 ， 镝价格稳定在280美元·kg–1 。 钴的价格目前为70美元·kg–1 ， 但仍在波动中 ， 在过去10年中一直在20~110美元·kg–1之间波动 ， 且在2008年和2018年均出现峰值 。
现在 ， 每年生产的1.4×105t稀土磁体占磁体市场价值的一半以上 。 其余几乎全是六方晶系的铁氧体 ， 其每年产量约为1×106t ， 可用于众多日常应用 。 它们比稀土磁体便宜一个数量级 。 但是 ， BaFe12O19或SrFe12O19的(BH)max仅为48kJ·m–3 。 稀土和铁氧体磁体各占每年新磁体所储存的8GJ能量的一半左右 。
另一个刺激因素是技术应用所需的特殊规格要求 。 便携式计算机的发展需要配备低规格的硬盘驱动器 。 1989年 ， 第一台Macintosh便携式计算机出现 ， 它的质量为7kg ， 厚10cm ， 有一个40MB的硬盘 。 现在 ， 用于笔记本电脑的TB硬盘驱动器的厚度为7mm 。 音圈电机的可用空间非常有限 ， 这刺激了具有更大矫顽力和磁能积的Nd-Fe-B磁体的发展 。
类似地 ， 电动车牵引电机的发展需要提升工作温度范围至200℃ ， 因此需要开发扩大工作温度范围的Nd-Fe-B磁体 。 根据矿产中稀土元素的丰度进行稀土金属的平衡利用是一种好的研究领域 ， 在这个科学领域中 ， 经济因素会对技术进步产生至关重要的影响 。


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