通过晶界扩散机制优化烧结Nd–Fe–B磁体中重稀土元素的最大利用率及其应用领域

《Advanced Engineering Materials》：Toward Maximum Utilization of Heavy Rare Earths in Sintered Nd–Fe–B Magnets by Grain Boundary Diffusion Source and Application Area Optimization

稀土元素优化在钕铁硼永磁体晶界扩散过程中的应用与电磁驱动系统的高温性能研究，通过有限元模拟确定磁体边缘和角落的高效矫顽力增强区域，采用Tb10Pr60(Cu,Al,Ga)30多组分合金实现4.86 T/wt% Tb的显著性能提升，同时保持剩余磁通量稳定，为电动汽车电机可持续磁性材料设计提供新策略。

　　在当前全球能源转型的背景下，电动车辆（EVs）的广泛应用推动了对高性能电动机的需求。其中，钕铁硼（NdFeB）永磁体作为关键部件，其性能直接影响到电动机的效率和可靠性。然而，NdFeB磁体在高温环境下容易发生退磁现象，限制了其在高功率密度和高温运行场景中的应用。因此，如何在不显著降低磁体性能的前提下，提高重稀土元素（HRE）的利用效率，成为研究的热点之一。重稀土元素如镝（Dy）和铽（Tb）在提高磁体矫顽力方面具有重要作用，但它们的资源稀缺性也使得其在磁体制造中面临成本与可持续性的双重挑战。本文通过优化晶界扩散工艺（GBDP）和引入有限区域的磁体磁化增强策略，探索了在高温运行条件下提高NdFeB磁体性能的方法，同时尽量减少HRE的使用量，从而为实现可持续的高性能磁体提供新的思路。

NdFeB磁体的矫顽力增强通常依赖于重稀土元素的添加，尤其是在高温应用中。然而，传统的HRE合金化方法往往导致磁体剩磁的显著下降，同时也增加了HRE的消耗。为了解决这一问题，近年来的研究集中于通过优化HRE的添加方式，仅在磁体易发生退磁的区域进行局部增强，从而提高HRE的利用效率。这种策略的关键在于识别出磁体中最具退磁倾向的区域，并通过精确控制HRE的扩散路径和分布，实现局部磁化硬化的增强效果。这种技术在电动机中尤为重要，因为电动机在运行过程中，磁场分布并不均匀，某些区域如磁体的边缘或角落会受到更高的退磁效应影响。通过有限元磁静力学模拟，研究人员能够预测和分析这些区域的磁场变化，从而为GBDP工艺的优化提供理论依据。

在研究中，选择了多种HRE来源材料，包括常用的TbH_x以及更复杂的多组分Tb合金，如Tb₁₀Pr₆₀(Cu,Al,Ga)₃₀。通过对比不同HRE来源材料的矫顽力增强效率，研究人员发现，尽管纯金属或二元氢化物在绝对矫顽力提升方面表现优异，但它们的HRE使用量较高。相反，多组分合金虽然在矫顽力增强方面相对较低，但由于其较低的HRE含量，整体的HRE利用率更高。例如，Tb₁₀Pr₆₀(Cu,Al,Ga)₃₀在0.6%的HRE添加量下，表现出高达3866 kA/m/wt% Tb的矫顽力提升效率，远超传统TbH₃材料的性能。这一发现表明，通过合理设计多组分HRE扩散源，可以在不显著增加HRE用量的情况下实现更高的矫顽力提升效果，为降低HRE依赖提供了新的可能性。

为了进一步优化GBDP工艺，研究团队对HRE扩散源的组成和颗粒尺寸进行了系统性研究。通过控制扩散源的颗粒大小，研究人员发现，较小的颗粒能够提供更高的扩散效率，但同时也带来了更多的氧化风险。因此，选择熔融纺丝（melt-spinning）形成的带状材料作为扩散源，能够在保证扩散效率的同时减少氧化的影响。此外，研究还发现，Tb含量较高的扩散源材料能够更有效地提升磁体的矫顽力，而Dy则相对表现较差。这可能与Tb的高各向异性场有关，其在磁体结构中的作用更为显著。为了验证这一结论，研究团队对不同HRE来源材料的矫顽力提升效果进行了定量分析，并结合实验数据和模拟结果，评估了不同工艺参数对磁体性能的影响。

在GBDP工艺的实际应用中，磁体的退磁行为与磁场分布密切相关。研究团队通过有限元模拟，分析了电动机内部磁体在运行过程中受到的退磁效应，并发现磁体的边缘和角落是退磁最严重的区域。基于这一发现，研究人员提出了一个“局部磁化硬化”策略，即在这些退磁敏感区域有针对性地添加HRE扩散源，而不是均匀分布在整个磁体表面。这种方法不仅提高了HRE的利用效率，还有效减少了整体HRE的消耗，从而降低了磁体的制造成本和对稀有资源的依赖。实验结果表明，通过在磁体的边缘和角落进行局部增强，磁体的矫顽力提升了近40%，而剩磁仅减少了约1.4%。这一结果验证了局部磁化硬化的可行性，并表明其在实际应用中具有显著的优势。

此外，研究还关注了磁体在高温环境下的稳定性。电动机在运行过程中，尤其是高性能电动机，其工作温度可能高达180°C。因此，磁体的高温性能成为衡量其适用性的重要指标。实验结果表明，使用Tb₁₀Pr₆₀(Cu,Al,Ga)₃₀扩散源的磁体在120°C时仍能保持较高的矫顽力（约1014 kA/m），而在150°C时也能维持在733 kA/m左右。相比之下，传统TbH₃材料在高温下的性能下降更为明显，表明多组分扩散源在高温稳定性方面具有更好的表现。这为在高温环境下使用HRE含量较低的磁体提供了理论支持，也为未来电动机磁体的设计和制造提供了新的方向。

为了进一步验证局部磁化硬化的有效性，研究团队对磁体的微观结构进行了详细的表征分析。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）技术，研究人员观察到磁体表面形成了明显的核壳结构，其中富含Tb和Pr的壳层位于磁体的边缘和角落，而内部则保持较低的HRE含量。这一现象表明，HRE主要在磁体的晶界区域富集，从而在局部区域提升了磁体的矫顽力，而对剩磁的影响较小。此外，研究还发现，Ga和Al等轻稀土元素在晶界扩散过程中起到了促进Tb扩散的作用，这可能与它们在晶界处的润湿性和扩散能力有关。因此，在设计多组分扩散源时，除了考虑Tb的含量，还需要合理搭配其他元素，以提高整体的扩散效率和磁体性能。

研究还探讨了HRE资源的可持续性问题。由于Tb和Dy的全球储量有限，它们的使用受到资源供应的制约。因此，寻找替代材料或优化HRE的使用策略成为解决这一问题的关键。本文中，通过局部磁化硬化的策略，研究团队发现，即使仅使用少量的Tb（如0.4%），也能在高温下实现良好的磁体性能。这表明，通过优化扩散源的组成和分布，可以在不牺牲磁体性能的前提下，显著减少HRE的使用量。这一成果对于推动磁体的可持续发展具有重要意义，尤其是在电动车辆和新能源设备的广泛应用背景下。

在实验过程中，研究团队还对磁体的温度稳定性进行了系统测试。通过在不同温度下测量磁体的矫顽力变化，研究人员发现，使用多组分扩散源的磁体在高温下的性能优于传统HRE材料。例如，在120°C时，使用Tb₁₀Pr₆₀(Cu,Al,Ga)₃₀扩散源的磁体能够维持较高的矫顽力，而传统TbH₃材料则表现出更明显的性能下降。这一结果进一步支持了多组分扩散源在高温环境下的优越性，并为未来的磁体制造提供了新的材料选择和工艺优化方向。

为了实现这一策略，研究团队采用了一种基于计算机模拟的优化方法，即通过有限元磁静力学模拟，识别出磁体中最具退磁风险的区域，并在这些区域有针对性地进行HRE添加。这种方法不仅提高了HRE的使用效率，还为磁体的设计提供了更精确的指导。此外，研究团队还探讨了HRE添加量对磁体性能的影响，并发现当HRE添加量达到一定阈值后，磁体的矫顽力提升效果趋于稳定，而进一步增加HRE用量并不会带来显著的性能改善。这表明，在设计磁体时，需要合理控制HRE的添加量，以实现最佳的性能与资源利用平衡。

在实际应用中，这种局部磁化硬化策略可以通过3D打印等先进制造技术实现。由于传统磁体制造工艺难以实现对磁体局部区域的精确控制，而3D打印技术则具备高度的可定制性，可以实现对磁体不同区域的定向增强。这不仅有助于提高磁体的性能，还能减少HRE的使用量，从而降低制造成本并提高资源利用率。因此，本文提出的策略为未来磁体制造提供了一种新的方法，尤其是在需要高磁性能和可持续性的电动车辆和工业应用中。

综上所述，本文通过优化GBDP工艺和引入局部磁化硬化策略，探索了在高温环境下提高NdFeB磁体性能的方法。研究结果表明，使用多组分扩散源材料，如Tb₁₀Pr₆₀(Cu,Al,Ga)₃₀，能够显著提高HRE的利用效率，同时保持磁体的剩磁水平。通过有限元模拟和实验验证，研究人员成功识别出磁体中最具退磁风险的区域，并在这些区域进行针对性的HRE添加，从而实现了高效的磁化硬化。这一策略不仅有助于降低HRE的使用量，还为未来磁体的可持续发展提供了新的思路和技术路径。随着先进制造技术的发展，这种局部增强策略有望在实际生产中得到广泛应用，为电动车辆和其他高功率密度设备提供更高效、更环保的磁体解决方案。