稀土—鐵—氮永磁材料的(of)化學通式爲(for)R_xFe_yN_z，R代表稀土元素。其中，各向異性稀土鐵氮永磁材料包括兩類化學成分和(and)晶體結構都不(No)相同的(of)材料： （1）Nd(Fe,M)₁₂N_x或Pr(Fe,M)₁₂N_x，其中M = Ti、V、Mo等，具有ThMn₁₂型四方晶體結構，這(this)類材料通稱钕鐵氮；（2）Sm₂Fe₁₇N_x，具有Th₂Zn₁₇型菱方晶體結構，簡稱钐鐵氮。學術界将這(this)兩類材料統稱爲(for)稀土鐵氮永磁材料。

        關于(At)稀土鐵氮永磁材料的(of)研究文獻，多出(out)于(At)中國(country)、日本和(and)歐美學術界專家。這(this)些文獻主要(want)聚焦于(At)材料成分、工藝方面的(of)科學探讨，對于(At)産業化進展和(and)市場應用(use)方面鮮有論述。筆者長期在(exist)稀土鐵氮永磁材料主要(want)發明人(people)楊應昌院士的(of)指導下從事産業化開發和(and)市場推廣工作(do)。通過十餘年的(of)努力，甯夏君磁新材料科技有限公司（君磁科技Magvalley）已經成爲(for)國(country)際公認具有原創性自主知識産權和(and)規模化量産能力的(of)全球三家企業之一(one)，與國(country)内外電機和(and)消費類電子領域一(one)百多家企業進行産品應用(use)開發，對稀土鐵氮永磁材料産業化的(of)進展掌握相對比較全面。近年來(Come)，稀土鐵氮永磁材料成爲(for)下遊市場應用(use)開發的(of)熱點方向，特别是(yes)“少钕化和(and)無钕化”電機概念提出(out)以(by)來(Come)，钐鐵氮永磁材料備受關注。由于(At)缺乏準确全面的(of)信息，目前産業界以(by)及與此相關的(of)投資界，對稀土鐵氮永磁材料研發曆史和(and)産業進展的(of)認識還不(No)夠客觀。本文将結合已公開的(of)稀土鐵氮永磁材料研究學術文獻、專利、市場上(superior)的(of)現有産品以(by)及正在(exist)進行的(of)開發方向，對各向異性稀土鐵氮（钐鐵氮、钕鐵氮）永磁材料發展曆史，特别是(yes)産業化新進展，予以(by)介紹。

一(one)、概述

        稀土鐵氮永磁材料是(yes)我(I)國(country)在(exist)稀土功能材料領域的(of)一(one)項重大(big)原創性發明，從物理學思想的(of)提出(out)，到(arrive)大(big)規模量産核心工藝及關鍵設備，均系自主創新。

        最早提出(out)各向異性稀土鐵氮永磁材料構想的(of)文獻追溯到(arrive)1990年前後，相關文獻主要(want)是(yes)由北京大(big)學楊應昌研究團隊及該團隊學生(born)參與撰寫，相關研究成果獲得中國(country)、美國(country)、日本及歐盟的(of)發明專利。中國(country)科學院院士、中國(country)稀土行業協會會長張洪傑教授在(exist)2019年第十一(one)屆中國(country)包頭稀土産業論壇上(superior)指出(out)：“除了(Got it)楊應昌院士的(of)钐鐵氮永磁材料，現有稀土新材料的(of)原創技術基本上(superior)不(No)是(yes)我(I)國(country)掌握的(of)。”

        北京大(big)學楊應昌研究團隊的(of)原創性貢獻，主要(want)表現在(exist)兩個(indivual)方面：

        一(one)是(yes)在(exist)1990年發現了(Got it)在(exist)稀土鐵合金中的(of)氮化效應：通過氣—固相反應，把氮原子加入到(arrive)R(Fe,M)₁₂, M = Ti,V,Mo …或… Sm₂Fe₁₇中，形成相應的(of)氮化物R(Fe,M)₁₂N_x 或Sm₂Fe₁₇N_x，發現氮化物的(of)磁性得到(arrive)全面的(of)、大(big)幅度提高。該團隊在(exist)國(country)際上(superior)首次利用(use)中子衍射技術測定了(Got it)钐鐵氮和(and)钕鐵氮等氮化物的(of)晶體結構，發現氮在(exist)這(this)些結構中都占據特定的(of)間隙晶位。據此，計算了(Got it)間隙原子對于(At)晶場作(do)用(use)和(and)電子結構的(of)影響，發現在(exist)特定晶位的(of)氮原子可以(by)靈敏地(land)調節稀土4f電子的(of)晶場結構和(and)鐵3d電子的(of)能帶結構，使鐵的(of)原子磁矩增加、稀土4f電子的(of)晶場結構發生(born)根本變化，從而揭示了(Got it)氮化效應起源于(At)氮的(of)間隙原子效應。間隙原子效應一(one)方面改變了(Got it)稀土離子的(of)晶場結構，另一(one)方面顯著提高了(Got it)合金的(of)居裏溫度。楊應昌研究團隊所揭示的(of)這(this)一(one)物理學思想，爲(for)稀土鐵氮等間隙性稀土永磁材料的(of)發展奠定了(Got it)理論基礎。該團隊的(of)相關研究曾兩次榮獲國(country)家自然科學獎、何梁何利基金科學與技術進步獎、國(country)際稀土永磁與先進磁性材料會議（REPM）傑出(out)成就獎等重要(want)榮譽及獎項。

        二是(yes)從研究氮化物的(of)磁疇結構及其反磁化過程着手，成功進行了(Got it)産業化核心工藝開發和(and)關鍵設備研制。自1990年後，稀土氮化物成爲(for)全球開發新型稀土永磁材料的(of)熱點。但是(yes)，國(country)内外諸多研究表明，氮化物雖然具有優異的(of)内禀磁性，但是(yes)采用(use)現有的(of)制造钕鐵硼磁粉的(of)工藝，難以(by)制造出(out)高性能稀土鐵氮磁粉。1994年美國(country)GM公司研發部采用(use)快淬工藝和(and)日本日立公司采用(use)機械合金化技術制備均未成功。楊應昌研究團隊認爲(for)标志永磁材料性能的(of)參量矯頑力、剩餘磁感應強度和(and)最大(big)磁能積都是(yes)結構靈敏量，與材料的(of)微結構有關，從技術上(superior)說，這(this)些都依賴于(At)材料的(of)制造工藝，而從理論上(superior)來(Come)講，取決于(At)材料的(of)磁疇結構及其反磁化過程，新材料應該根據其特點開發與其相宜的(of)制造方法。爲(for)此，該團隊轉向氮化物的(of)技術磁化研究，在(exist)國(country)際上(superior)首次成功地(land)觀測了(Got it)稀土鐵氮的(of)磁疇結構，研究其反磁化機制，探索了(Got it)多種不(No)同的(of)制備技術。2011年以(by)來(Come)，在(exist)國(country)家“863”計劃的(of)支持下，北京大(big)學與北京恒源谷科技有限公司合作(do)，成功進行了(Got it)百噸級高性能稀土鐵氮永磁磁粉産線的(of)開發建設，開發了(Got it)規模化量産技術和(and)關鍵設備，并在(exist)甯夏君磁新材料科技有限公司做進一(one)步面向市場應用(use)的(of)開發建設。

        回顧上(superior)述研究曆史可見，北京大(big)學楊應昌研究團隊作(do)爲(for)稀土鐵氮永磁材料的(of)主要(want)發明人(people)，做出(out)了(Got it)國(country)際公認的(of)、重大(big)的(of)、開創性的(of)貢獻，使我(I)國(country)在(exist)新一(one)代稀土永磁材料領域擺脫了(Got it)長期以(by)來(Come)受制于(At)國(country)外專利限制的(of)局面，推動了(Got it)我(I)國(country)從稀土資源大(big)國(country)向稀土科技強國(country)邁進、促進了(Got it)我(I)國(country)稀土産業高質量發展。

二、稀土鐵氮永磁材料産業化開發局面

        進入新世紀以(by)來(Come)，由于(At)稀土钐的(of)價格長期明顯低于(At)稀土钕，因此，稀土鐵氮永磁材料的(of)開發，主要(want)着眼于(At)钐鐵氮。總體上(superior)看，國(country)内外學術界的(of)跟蹤研究時(hour)冷時(hour)熱，持續進行産業化技術開發研究的(of)，更爲(for)鮮見，這(this)主要(want)是(yes)因爲(for)過去對這(this)個(indivual)材料的(of)潛力還沒有一(one)緻地(land)看法和(and)信心。在(exist)國(country)際上(superior)，主要(want)是(yes)北京大(big)學楊應昌領導的(of)君磁科技開發團隊和(and)日本住友金屬礦山株式會社爲(for)代表的(of)日本企業進行了(Got it)長期不(No)間斷的(of)産業化核心技術的(of)研究開發，最終均開發成功并取得了(Got it)國(country)際專利保護。2022年，英國(country)皇家科學院院士Coey教授在(exist)《Mordern Permanent Magnets》一(one)書中指出(out)，目前，各向異性钐鐵氮永磁材料主要(want)由三家生(born)産企業進行生(born)産，分别爲(for)日本的(of)住友金屬礦山株式會社、日亞化學工業株式會社以(by)及甯夏君磁新材料科技有限公司。其中，兩家日本企業采用(use)還原擴散的(of)工藝方法進行生(born)産，而甯夏君磁新材料科技有限公司采用(use)新型粉末冶金的(of)方法進行生(born)産。形成了(Got it)兩種工藝路線、三家企業擁有獨立知識産權并實現量産的(of)局面。三家企業核心研發團隊大(big)緻都是(yes)自20世紀90年代開展相關研發工作(do)。

        2021年日本粘結磁體協會（JABM）發布報告，介紹了(Got it)目前全球具有獨立知識産權和(and)量産能力的(of)各向異性钐鐵氮生(born)産企業的(of)産品性能特征，該報告由入山恭彥先生(born)完成，并有相關文獻在(exist)國(country)外行業權威刊物發表，具體見表1。

        在(exist)北京大(big)學楊應昌研究團隊的(of)指導下，甯夏君磁新材料科技有限公司還開發建設了(Got it)世界上(superior)唯一(one)的(of)钕鐵氮永磁材料量産産線，并利用(use)钕鐵氮材料的(of)獨特優勢，開展超薄永磁片材的(of)應用(use)開發。　　除此之外，日本大(big)同電子株式會社報告了(Got it)其開發的(of)注射成型及模壓成型各向同性钐鐵氮磁體，報告顯示其具備超越目前市場上(superior)各向同性粘結磁體的(of)磁性能，并具有氮化物良好的(of)耐腐蝕及熱穩定性。　　近來(Come)，由于(At)钐鐵氮永磁材料的(of)性能優勢開始在(exist)市場快速呈現，國(country)内也有企業宣稱進行了(Got it)産業化開發，但從技術角度上(superior)看，還沒有人(people)提出(out)不(No)同于(At)前述現有的(of)這(this)兩種工藝的(of)技術路線，還未見有新的(of)專利技術，從市場上(superior)看，還沒有獨立開發的(of)産品出(out)現。　　稀土鐵氮永磁材料的(of)産業化開發，主要(want)是(yes)指上(superior)述高性能稀土鐵氮磁粉的(of)規模化量産。制備高性能稀土鐵氮磁體取決于(At)高性能磁粉實現量産這(this)一(one)前提外，還受到(arrive)以(by)下兩個(indivual)方面的(of)影響，一(one)是(yes)各向異性粘結磁體成型技術和(and)裝備的(of)進步，二是(yes)各向異性磁性材料磁場取向和(and)充磁水平的(of)提高。這(this)兩個(indivual)方面日本企業一(one)直處于(At)領先水平。近年來(Come)，随着君磁科技與下遊企業的(of)共同努力和(and)國(country)際合作(do)的(of)拓展，作(do)爲(for)高性能稀土鐵氮磁粉的(of)生(born)産企業，君磁科技已經可以(by)在(exist)這(this)兩方面爲(for)下遊應用(use)開發提供處于(At)國(country)際領先水平的(of)技術支持和(and)工藝指導，很大(big)程度上(superior)解決了(Got it)生(born)産效率和(and)磁場取向兩大(big)瓶頸問題，同時(hour)參與終端用(use)戶的(of)電機設計。

三、稀土鐵氮永磁材料的(of)性能優勢及現有産品已達到(arrive)的(of)技術水平　　

       稀土鐵氮永磁材料作(do)爲(for)新一(one)代稀土永磁材料，從現有産品可以(by)達到(arrive)的(of)技術水平來(Come)看，已表現出(out)多方面的(of)優勢和(and)特點。　　

        一(one)是(yes)從資源角度看，這(this)類材料完全不(No)使用(use)重稀土，特别是(yes)钐鐵氮，不(No)使用(use)钕、而是(yes)使用(use)钐。這(this)一(one)方面可以(by)避免重稀土的(of)原材料成本壓力，另一(one)方面，還可以(by)避免钕的(of)價格波動影響。　　

        二是(yes)從磁性能上(superior)看，目前市場上(superior)各向異性钐鐵氮磁粉的(of)最大(big)磁能積已是(yes)主流稀土粘結磁粉各向同性钕鐵硼的(of)兩倍以(by)上(superior)，居裏溫度高于(At)後者150℃以(by)上(superior)，且具有優異的(of)抗氧化和(and)耐腐蝕性能。　　

        三是(yes)稀土鐵氮磁粉具有良好的(of)粒度特性，其D50在(exist)2μm左右，遠低于(At)钕鐵硼磁粉的(of)粒度。這(this)使得稀土鐵氮磁體表現出(out)了(Got it)更好的(of)力學性能，成型的(of)自由度更大(big)，而且可以(by)與其他(he)磁粉雜化而進一(one)步提高粘結磁體的(of)密度。這(this)種粒度特征，還可以(by)減少對生(born)産模具的(of)磨損，模具壽命提高50%以(by)上(superior)，從而降低生(born)産成本。　　

        綜合以(by)上(superior)性能特征可以(by)看出(out)，稀土鐵氮永磁材料的(of)應用(use)開發，重塑了(Got it)“粘結磁”的(of)概念，重構了(Got it)稀土永磁材料的(of)局面，進一(one)步爲(for)下遊電機的(of)設計和(and)開發，提供了(Got it)更開闊的(of)思路和(and)更大(big)的(of)自由度。這(this)種變化，首先表現爲(for)“粘結磁”的(of)性能範圍大(big)幅拓展，以(by)往注射粘結磁的(of)最高性能通常在(exist)10MGOe左右,模壓粘結磁的(of)最高性能通常12MGOe左右,而現在(exist)由于(At)高性能钐鐵氮磁粉的(of)出(out)現，使得注射粘結磁最高性能已達18MGOe,模壓粘結磁最高性能已達25MGOe以(by)上(superior)。這(this)種性能雖然仍低于(At)燒結钕鐵硼，但由于(At)其作(do)爲(for)粘結磁因而具有更大(big)磁路設計自由度，使其可以(by)同樣應用(use)于(At)以(by)前隻能适用(use)燒結钕鐵硼的(of)一(one)些場景，并表現出(out)高電阻率和(and)高機械性能的(of)優勢，尤其适用(use)于(At)高頻高轉速電機小型化、輕量化的(of)發展需要(want)。此外，钐鐵氮磁粉還可以(by)與價格低廉的(of)鐵氧體磁粉制成雜化磁體，在(exist)最大(big)磁能積3~7MGOe領域提供更具性價比的(of)粘結磁體。

        由于(At)稀土鐵氮的(of)耐腐蝕特性，通常情況下這(this)類新型粘結磁體不(No)再像以(by)往稀土粘結磁那樣需要(want)進行表面塗敷防鏽，這(this)既環保又降低了(Got it)成本。可以(by)說，由于(At)稀土鐵氮的(of)應用(use)，“粘結磁”不(No)再是(yes)低磁性材料、不(No)再是(yes)僅應用(use)于(At)微特電機領域的(of)材料、不(No)再是(yes)與稀土燒結磁無法競争的(of)材料，而是(yes)兼具磁性能涵蓋範圍廣、抗氧化耐腐蝕性能強、機械性能好、電阻率高的(of)新型永磁材料。

        從應用(use)角度看，稀土鐵氮永磁材料在(exist)微特電機領域獨具優勢是(yes)顯而易見的(of)。而最新的(of)實踐表明，在(exist)“少钕”和(and)“無钕”化概念的(of)驅動下，一(one)些國(country)際知名汽車公司已開始使用(use)這(this)種新型粘結磁體設計以(by)往隻使用(use)稀土燒結磁體的(of)電機，明顯例子就是(yes)新能源汽車驅動電機。另一(one)個(indivual)顯著的(of)例子是(yes)，基于(At)稀土鐵氮磁粉的(of)高磁性能和(and)亞微米級粒度特征，在(exist)君磁科技使用(use)熱塑性材料開發出(out)稀土鐵氮磁性彈性體以(by)來(Come)，在(exist)消費電子領域迅速掀起應用(use)開發熱情，其中“無鹵阻燃磁性彈性體”已在(exist)手機、平闆電腦充電數據線、智能手機表帶等領域展開應用(use)。

        目前，市場上(superior)在(exist)售的(of)稀土鐵氮永磁材料産品主要(want)爲(for)磁粉、注射磁體用(use)顆粒料及各類粘結磁體。其中，各向異性钐鐵氮磁粉磁性能高、粒度細且分布均勻、抗氧化能力強，适宜以(by)注射、模壓、擠出(out)、壓延、3D打印等工藝方法制備各種形态的(of)新型高性能稀土粘結磁體，見表2。

        钐鐵氮等稀土鐵氮永磁材料通過與鐵氧體磁粉和(and)其他(he)稀土磁粉雜化，使用(use)傳統的(of)PA12、PPS以(by)及環氧樹脂等制造的(of)粘結磁體産品，最大(big)磁能積可達到(arrive)25MGOe。3~25MGOe的(of)性能範圍不(No)僅可以(by)完全涵蓋目前市場上(superior)傳統粘結磁體性能範圍，還進一(one)步突破了(Got it)粘結磁體的(of)性能極限。以(by)稀土鐵氮類永磁材料制備的(of)柔性磁體以(by)及磁性彈性體材料也充分利用(use)了(Got it)該類磁粉材料磁性能高、粒度細、抗氧化能力強的(of)特點，在(exist)實現高磁性能的(of)同時(hour)，還可使柔性磁體具有高表面光潔度以(by)及極佳的(of)柔性，使磁性彈性體材料具備良好的(of)拉伸性能和(and)柔韌性，爲(for)可穿戴應用(use)場景的(of)産品提供了(Got it)極佳的(of)使用(use)體驗。這(this)種兼具高磁性能和(and)良好力學性能的(of)特征，也是(yes)傳統的(of)鐵氧體及钕鐵硼磁性材料所不(No)具備的(of)，詳見圖1、圖2、圖3、表3。

        以(by)钐鐵氮注射磁體爲(for)例，使用(use)甯夏君磁新材料科技有限公司生(born)産的(of)MGC12系列钐鐵氮顆粒料，所生(born)産的(of)Halbach正弦四極充磁環形磁體在(exist)φ11.3 × φ5 × 11.6 mm尺寸下，可達到(arrive)2900Gs的(of)表面磁通密度；以(by)各向異性钐鐵氮磁性材料生(born)産的(of)無鹵阻燃磁吸數據線擠出(out)用(use)顆粒料，可以(by)在(exist)0.6mm的(of)厚度條件下實現650Gs的(of)表面磁通密度，并保證良好的(of)柔韌性。

四、稀土鐵氮永磁材料的(of)前景展望　　

       雖然稀土鐵氮永磁材料概念是(yes)20世紀90年代提出(out)的(of)，但就其産業化開發和(and)應用(use)來(Come)說，仍處于(At)初始階段。一(one)是(yes)其理論磁性能潛力還遠未發揮出(out)來(Come)，钐鐵氮的(of)各向異性場是(yes)21T,钕鐵硼是(yes)9T,理論上(superior)钐鐵氮的(of)最大(big)磁能積在(exist)60MGOe以(by)上(superior)，而目前其粘結磁粉最高性能僅在(exist)40MGOe左右,且稀土鐵氮燒結磁體尚處于(At)開發過程中。二是(yes)稀土鐵氮材料産業化應用(use)開發還處于(At)初期。稀土鐵氮永磁材料不(No)含重稀土，且不(No)受钕價格波動的(of)影響，基于(At)近年來(Come)應用(use)開發經驗的(of)積累，正日益成爲(for)行業實踐中應用(use)的(of)新材料。稀土鐵氮永磁器件、電機、消費電子類産品等産業鏈廠家通過實踐努力，已打破了(Got it)以(by)往對各向異性永磁材料的(of)固有印象和(and)畏難情緒，正在(exist)進一(one)步通過器件制備技術、磁取/充磁技術的(of)改進和(and)提升，擴大(big)稀土鐵氮永磁材料的(of)應用(use)範圍。随着各向異性钐鐵氮磁粉制備技術的(of)進一(one)步完善、低溫燒結钐鐵氮研究開發，稀土鐵氮永磁材料将日益成爲(for)磁性材料家庭的(of)重要(want)成員，爲(for)下遊電子信息産業的(of)升級換代、爲(for)人(people)類追求更美好的(of)生(born)活提供重要(want)材料支撐。

本文作(do)者：王心安¹  廖思宇¹  程本培^1,2

1.甯夏君磁新材料科技有限公司 2.北京大(big)學  

注：本文刊登于(At)2024年第6期《稀土信息》，如需轉載請注明來(Come)源。