综述：无稀土铁基永磁体：进展、挑战与展望

《MetalMat》：Rare-Earth-Free Iron-Based Permanent Magnets: Progress, Challenges, and Perspectives

本综述系统探讨了无稀土铁基永磁材料的研究进展，重点分析了Fe-Co合金、L10-FeNi（四纹石）、α″-Fe16N2氮化物及Fe2P/Fe-B化合物等四大材料体系。通过应变工程、异质原子掺杂、微观结构调控等策略，可显著提升饱和磁化强度（Ms）、磁晶各向异性（Ku）和矫顽力（Hc），为替代钕铁硼（Nd2Fe14B）等稀土永磁体提供了可持续解决方案。

　　

1 引言

永磁体作为现代能源与电子技术的核心材料，在风力发电机、电动汽车驱动电机等领域不可或缺。当前高性能永磁市场由钕铁硼（Nd₂Fe₁₄B）和钐钴（Sm₂Co₁₇）等稀土材料主导，但其供应链受地缘政治与环境污染问题制约。铁元素因其储量丰富、磁矩高（2.22 μ_B/原子）成为理想替代基体，但纯铁缺乏矫顽力，需通过合金化与微观结构设计实现永磁特性。

2 永磁性能基础原理

永磁性能取决于本征参数（饱和磁化强度M_s、磁晶各向异性、居里温度T_c）与微观结构因素。磁滞回线中的矫顽力（H_c）和最大磁能积（(BH)_max）是核心指标。铁基材料需通过晶格应变或化学有序诱导单轴各向异性，例如体心四方（bct）结构的Fe-Co合金在c/a≈1.2时可产生高达5–10 MJ·m^?3的K_u。微观方面，纳米级晶粒可抑制磁畴反转，而交换弹簧磁体（exchange-spring magnet）通过硬磁/软磁相耦合同时提升H_c与M_s。

3 铁合金基永磁体

3.1 Fe-Co基磁体

Fe-Co合金具备最高饱和磁化强度（μ₀M_s≈2.4 T），但立方对称性导致各向异性微弱。通过V、N等元素掺杂可稳定bct相，例如Fe-Co-V-N薄膜的K_u达10⁶ J·m^?3。微纳结构化可进一步增强性能：50 nm岛状Fe-Co图案化薄膜的H_c提升至0.60 T，接近Nd-Fe-B水平。Alnico的旋节分解结构启示了通过Fe-Co棒状析出相与非磁性基体构建钉扎位点的可行性。

3.2 Fe-Ni基磁体

L1₀-FeNi（四纹石）具有高理论K_u（1×10⁶ J·m^?3）与T_c（≈820 K），但其有序化需极慢冷却（如陨石中百万年形成）。氮插入-拓扑提取法（NITE）通过Fe₂Ni₂N中间相在实验室条件下实现S=0.71的有序度，H_c从14.5 kA·m^?1提升至142 kA·m^?1。薄膜外延（如Au-Cu-Ni缓冲层）与循环氧化-还原法也可促进有序化，但批量制备仍面临动力学障碍。

4 其他铁基硬磁材料

4.1 氮化铁——α″-Fe₁₆N₂

该相理论M_s高达2.8–3.0 T，源于氮原子引起的晶格畸变与电子态杂化。Cr缓冲层/MgO基底外延生长可实现（100）取向薄膜，M_s达2.81 T。离子注入结合退火工艺可在箔材中实现20 MGOe的(BH)_max。粉末合成中，氧化-还原预处理形成多孔结构促进氮扩散，但高温烧结易导致相分解，需采用冷压或放电等离子烧结（SPS）等低温固结技术。

4.2 磷化铁与硼化铁

Fe₂P的六方结构通过Co/Si共掺杂提升T_c至506 K，K_u达1.09 MJ·m^?3。球磨细化晶粒至亚微米级使H_c升至70 mT。硼掺杂（Fe,Co)₂(P,Si,B)五元体系通过降低c/a比增强交换作用，纳米化后H_c达1 kOe。Fe₂B纳米线利用形状各向异性克服本征软磁性，Re/Co替代可诱导易轴各向异性。

5 挑战与展望

当前铁基永磁体的实验性能仍低于理论值，主因包括亚稳相难控、晶粒粗化与畴壁钉扎不足。未来需融合应变工程（外延层/核壳结构）、多元素掺杂（V/N/B）、纳米晶界调控及机器学习辅助计算四大策略。通过界面应变稳定α″-Fe₁₆N₂相、优化Fe-Co-V-N成分设计、开发非磁性晶界包覆技术，有望实现(BH)_max > 20 MGOe的实用化磁体，推动电动汽车、可再生能源等领域的无稀土化转型。