新型爆炸压实装置的设计及其在无粘结剂高密度各向同性NdFeB磁体成形中的应用

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Design of novel explosive compaction device and its application in binder-free high-density isotropic NdFeB magnets forming

本研究开发了一种新型爆炸压实装置，通过控制冲击波传播方向和优化排气设计，有效抑制反射稀疏波引起的拉应力，防止磁体破碎。实验表明，当炸药层厚度为30mm时，NdFeB磁体密度达到7.18g/cm3（理论密度95.7%），形成等轴结构，磁性能与原粉末接近。

　　在现代材料科学的发展进程中，高性能磁性材料的应用日益广泛，尤其是在电子、能源和交通运输等关键领域。其中，钕铁硼（NdFeB）磁体因其优异的磁性能，被广泛认为是第三代稀土永磁材料的代表。然而，传统NdFeB磁体的制造方法存在诸多限制，尤其是在追求高密度、高磁性能和低成本制造的过程中。因此，研究者们不断探索新的制造技术，以克服现有工艺的不足，同时提升材料的综合性能。爆炸压实作为一种新兴的材料加工方法，因其独特的物理机制和潜在的工艺优势，正逐步引起关注。

爆炸压实技术的核心在于利用可控的爆炸过程所产生的瞬时高压和冲击波，对粉末材料进行快速压缩，从而实现高密度成型。相较于传统的烧结、热压等方法，爆炸压实具有更高的能量效率和更短的加工时间，能够在短时间内释放出巨大的能量，对材料施加极端的压强。这种快速而集中的能量输入，有助于促进粉末颗粒之间的冶金结合，而不依赖于传统的有机粘结剂。这不仅提升了材料的密度，还避免了粘结剂在高温下的降解问题，从而增强了材料的热稳定性和机械性能。同时，爆炸压实能够在常温条件下进行，减少了高温对磁体材料的氧化和热损伤风险，使得最终产品的磁性能得以较好地保留。

在NdFeB磁体的制造中，传统的方法主要包括粘结法、烧结法和热压法。粘结法虽然能够生产出具有均匀磁性能的磁体，但其依赖于有机粘结剂，这在一定程度上降低了磁体的磁性能，并且由于粘结剂的热降解问题，限制了其在高温环境下的应用。烧结法和热压法则主要适用于生产各向异性磁体，虽然能够实现较高的密度，但需要添加昂贵的重稀土元素（如Dy和Tb）以增强磁体的矫顽力。此外，这些方法通常需要复杂的设备和严格的工艺控制，导致生产成本较高，且难以实现复杂形状的磁体制造。

相比之下，爆炸压实技术为NdFeB磁体的制造提供了一种新的可能性。该技术能够实现无粘结剂的高密度成型，同时保持磁体材料的原始磁性能。然而，爆炸压实在NdFeB磁体制造中的应用仍处于探索阶段，主要的挑战在于冲击波在传播过程中可能引发的稀疏波反射，导致磁体与模具之间出现拉应力，从而形成所谓的“马赫孔”（Mach holes）。这些内部缺陷会严重影响磁体的性能和结构完整性，因此如何有效抑制稀疏波反射带来的拉应力，成为爆炸压实技术在NdFeB磁体制造中亟待解决的问题。

针对这一问题，研究者们提出了多种改进方案。早期的研究多采用直接型爆炸压实装置，其结构通常包括单层钢管作为模具，通过外围的爆炸装置产生圆柱形冲击波，直接对粉末进行压缩。虽然这种方法能够实现块状成型，但由于能量分布不均，导致磁体密度和均匀性较差。为了提高颗粒之间的结合强度，后续研究通过优化爆炸负载的均匀性来改善成型质量，但单层结构仍然难以有效控制轴向和径向的压力梯度，从而导致马赫孔的产生。

为了解决压力分布不均的问题，研究者引入了双层结构模具，通过外层管缓冲冲击能量，内层管则均匀传递压力，从而减少马赫孔的形成，提高磁体的机械性能。然而，即使采用了双层结构，直接型装置在实际应用中仍然存在一定的局限性，尤其是在爆炸分布和冲击波传播方向的控制方面。因此，为了进一步提升爆炸压实技术在NdFeB磁体制造中的应用效果，研究团队提出了一种新型的侧向引爆间接爆炸压实装置。

该装置的设计理念在于通过侧向引爆方式，使冲击波的传播方向与粉末表面保持平行，从而有效减少稀疏波反射带来的拉应力。这种设计不仅能够实现更均匀的压力分布，还能通过优化模具结构和排气设计，进一步提升磁体的成型质量。此外，通过精确控制爆炸质量、引爆速度和冲击波传播路径，可以实现对内部应力的精确调控，从而避免形成结构缺陷。

在具体实施过程中，该装置由模具组件、冲击加载和引爆控制三个部分组成。模具组件采用T型结构设计，其中底部平台用于承受爆炸产生的压力，而中间的矩形粉末腔则用于容纳NdFeB磁性粉末。通过调整模具的尺寸和结构，可以实现对粉末压缩方向的精确控制，从而确保磁体在成型过程中具有良好的均匀性和密度。同时，引爆控制部分通过精确调节爆炸参数，如爆炸质量、引爆速度和冲击波传播路径，确保冲击波在模具内部均匀分布，从而避免局部应力过大或过小的情况。

该装置的引入，不仅解决了传统直接型装置在压力分布和应力控制方面的不足，还为NdFeB磁体的无粘结剂成型提供了新的技术路径。通过优化爆炸压实工艺，研究团队成功实现了高密度、高性能的NdFeB磁体成型，其密度达到了7.18 g·cm?3，接近理论密度的95.7%。同时，磁体的微观结构和磁性能也得到了显著提升，其磁性能与原始粉末基本一致，表明爆炸压实技术在保持磁体磁性能的同时，能够实现高效的材料加工。

此外，该装置的使用还为复杂形状磁体的制造提供了可能。传统的粘结法和烧结法在制造复杂形状磁体时，往往需要额外的加工步骤，而爆炸压实技术通过优化模具设计，能够在成型过程中直接实现复杂形状的制造，从而减少后续加工的需要。这不仅提高了生产效率，还降低了生产成本，使得爆炸压实技术在NdFeB磁体制造中具有更强的市场竞争力。

综上所述，爆炸压实技术在NdFeB磁体制造中展现出巨大的潜力。通过优化冲击波传播方向和模具结构，该技术能够有效减少稀疏波反射带来的拉应力，提高磁体的成型质量。同时，无粘结剂的工艺特点使得磁体的磁性能得以保留，而高效的能量利用则进一步降低了生产成本和能耗。因此，该技术有望成为未来NdFeB磁体制造的重要方向，为高性能磁体的生产提供新的解决方案。