基于回收原料和晶界设计的高性能钕铁硼磁体可持续制备路线

《Results in Materials》：A Sustainable Route to High-Performance Nd-Fe-B Magnets Using Recycled Feedstock and Grain Boundary Design

本研究针对回收Nd-Fe-B永磁体性能提升难题，通过Zr基添加剂进行先进晶界工程设计，开发出高性能回收磁体。研究实现了1930 kA/m的本征矫顽力(Hcj)，与原始磁体基准相当，并通过形成纳米级ZrB2沉淀优化晶界网络，显著提升了热稳定性和磁性能，为电动汽车和可再生能源应用提供了可持续解决方案。

　　

在当前全球能源转型和电动汽车产业快速发展的背景下，高性能钕铁硼（Nd-Fe-B）永磁体作为关键功能材料，其需求呈现爆发式增长。然而，稀土元素的供应链脆弱性和资源环境压力日益凸显，如何实现稀土资源的高效循环利用成为制约产业可持续发展的瓶颈问题。传统回收工艺往往导致磁体性能劣化，难以满足高端应用场景的苛刻要求，这一矛盾亟待通过技术创新予以解决。

针对这一挑战，来自Jo?ef Stefan研究所的Miha Zakotnik等研究人员在《Results in Materials》上发表了重要研究成果，探索了一条通过回收原料和晶界设计实现高性能Nd-Fe-B磁体的可持续路径。该研究创新性地利用Zr基添加剂进行晶界工程设计，在回收磁体中实现了与原始磁体相媲美的优异性能。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先，以报废Nd-Fe-B磁体为原料，通过热退磁、机械清洗和酸处理等预处理步骤获得基础材料；其次，采用氢破碎（HD）工艺在80°C、3 bar氢气条件下处理材料，随后在580°C真空脱气，制备出适合后续加工的粉末；第三，引入成分为Dy 39.7%、Co 34.0%、Nd 12.8%、Pr 8.4%、Cu 5.1%的母合金，在氢化阶段以3.0 at.%的比例进行混合，促进元素的均匀分布；最后，通过1080°C烧结1小时以及850°C和650°C的热处理工艺，优化材料的微观结构和磁性能。表征手段包括ICP-OES成分分析、TEM、STEM、EDS等微观结构表征技术，以及B-H磁滞回线测量仪对磁性能进行系统评价。

3.1. 元素分布与成分分析

通过ICP-OES和EDS分析发现，回收磁体中的重稀土Dy含量从初始的0.2 at.%显著提升至2.3 at.%，且在某些晶界处局部浓度达到5.6 at.%，表明Dy在晶界区域发生了明显的偏聚。同时，过渡金属Co和Cu的含量也相应增加，分别达到1.9 at.%和0.4 at.%，而Zr含量保持在0.1 at.%水平。这种元素再分布为后续的晶界修饰和磁性能提升奠定了成分基础。

3.2. 磁性能与可逆温度系数

磁性能测试结果显示，回收磁体在20°C下的本征矫顽力（H_cj）达到1930.55 kA/m，比原始磁体（1269.42 kA/m）提高了52%，展现出优异的抗退磁能力。虽然剩磁（B_r）和最大磁能积（(BH)_max）略低于原始磁体，但在120°C高温下，回收磁体仍能保持869.70 kA/m的矫顽力，显著优于原始磁体的453.19 kA/m，证明其具有更好的高温稳定性。

3.3. 可逆温度系数

温度系数分析进一步证实了回收磁体的热稳定性优势。在20-120°C温度范围内，回收磁体的矫顽力温度系数β(H_cj)为-0.55 %·°C^-1，优于原始磁体的-0.65 %·°C^-1，表明其矫顽力随温度升高的衰减程度更小。这种改进的热稳定性与材料中形成的Dy富集晶界相和ZrB₂沉淀密切相关。

3.4. 回收磁体的微观结构TEM分析

透射电镜分析揭示了回收磁体独特的微观结构特征。研究发现，晶界区域存在三种主要类型的晶间相：I型为稀土元素（REE）富集的氧化物相，具有非晶或纳米晶结构；II型为Fe富集相，常作为ZrB₂沉淀的载体；III型为Co-Cu富集相，负责磁隔离功能的实现。这些晶间相在三维晶界交点处形成复杂的网络结构，共同贡献于磁性能的优化。

最引人注目的是在晶间区域观察到的纳米级ZrB₂沉淀物。这些沉淀物呈 elongated morphology（伸长形态），长度可达100纳米，厚度为10-30纳米，沿（001）晶面优先生长，形成有效的扩散屏障。高分辨TEM确认其具有六方晶体结构（空间群P6/mmm），晶格参数为a=0.317 nm，c=0.3548 nm。这些ZrB₂沉淀不仅抑制了晶粒长大，还通过与Dy、Co、Cu等元素的协同作用，增强了晶界的结构稳定性和磁隔离效果。

研究结论表明，通过Zr基添加剂的晶界工程设计，结合双合金（NdPrDyCoCu）混合策略，可以成功实现回收Nd-Fe-B磁体性能的显著提升。该方法不仅使回收磁体的矫顽力达到1930 kA/m的高水平，还改善了其高温稳定性，为可持续高性能磁体的制备提供了可靠路径。

这项研究的重要意义在于，它证实了通过适当的晶界工程策略，回收磁体完全可以达到甚至超越原始磁体的某些关键性能指标。特别是ZrB₂沉淀与稀土元素晶界偏聚的协同效应，为理解回收磁体性能优化机制提供了新的视角。从产业化角度看，这种磁体到磁体（M2M）的回收路线大幅降低了稀土资源消耗和环境负担，生命周期评估显示其环境影响比原始生产降低64-96%。

然而，研究也指出了一些需要进一步优化的挑战，包括添加剂分布的均匀性控制、大规模生产中的氧含量管理以及热工艺参数的精确调控等。解决这些问题将有助于推动该技术向产业化方向迈进，为电动汽车和可再生能源领域提供更加可持续的高性能磁体解决方案。