面向永磁体的知情材料选择：整合 criticality 与生命周期环境维度的两阶段设计框架

《Sustainable Materials and Technologies》：Informed material selection for permanent magnets: Integrating criticality and environmental dimensions into design

　　

永磁体是电动交通、可再生能源系统、电子和医疗技术中的关键组件。然而，在早期设计阶段的材料选择中，环境与关键性（criticality）方面仍大多被忽视。本研究提出一个两阶段决策框架，该框架综合磁性能、工程属性、经济维度、原材料关键性（criticality）和环境性能。首先通过最大能量积 (BH)_max 与合金关键性指数（Alloy Criticality Index, ACI）之间的权衡对商用磁体牌号进行筛选，得到十种候选材料：四种硬铁氧体、三种 Al-Ni-Co 合金、两种 SmCo 合金和一种 Nd-Fe-B 牌号。采用两种互补指标评估其环境性能，一种以单位质量表示，另一种以单位磁服务表示。框架的第二阶段涉及多属性比较，在“传统工业设计”“环境卓越性（environmental virtuosity）”和“同等知情设计（equal informed design）”三种不同视角下，使用基于质量和基于磁服务的环境指标。该评价基于广义性能函数，通过将归一化属性值与相应权重因子相乘后求和计算；权重因子采用数字逻辑成对比较法（digital logic pairwise-comparison method）得出。在所有三种权重视角下，考虑基于质量的环境评估时，四种硬铁氧体均处于领先位置，其中 Ferrite YBM-4D 排名第一。在基于环境磁服务的情景中，Ferrite YBM-2B 升至第一位，其次是 Ferrite YBM-4B 和 Ferrite YBM4D。Nd-Fe-B 在前两种视角中排名第六，在“同等知情设计”下排名第八，因为其有利的单位磁服务影响被高成本、关键性和低最高工作温度所抵消。SmCo 和含 Co 的 Al-Ni-Co 牌号通常表现出最不利的总体性能。这些结果表明，环境参考基准可影响材料选择，并使设计人员能够采用最能反映其应用约束的方法。

Marco Jabara、Paolo Ferro、Junzhang Wu、Luoqin Liu 和 Alessandro Manzardo 针对永磁体在电动交通、可再生能源系统、电子和医疗技术中的关键作用，以及早期设计阶段材料选择中环境与关键性方面被忽视的问题，提出将磁性能、工程属性、经济维度、原材料关键性（criticality）和环境性能结合的两阶段决策框架。永磁体主要包括 Nd-Fe-B、SmCo、Al-Ni-Co 和硬铁氧体四类；硬铁氧体产量超过 1.16 百万吨并约占总量 75%，Nd-Fe-B 在 2023 年市值达 156 亿美元。现有研究对 Nd-Fe-B 磁体的环境评估较多，SmCo 和硬铁氧体证据有限，Al-Ni-Co 缺乏专门评估；同时关键性很少纳入工程设计。因此，研究人员旨在建立早期磁体选择的集成定量框架。研究得出，环境参考基准会影响牌号级选择，并使设计人员能够选择最反映其应用约束的环境基础；该框架可作为透明决策支持工具。

关键技术方法（不超过 250 字）：研究人员采用两阶段框架。候选商业磁体牌号来自 CES EduPack? 软件，排除工业相关性有限或 LCI 不足类别。第一阶段以 (BH)_max 的倒数 1/(BH)_max 与 ACI 为冲突目标，使用相对惩罚函数和 Ashby 权衡图，交换常数 α 取 0.01、1、100，筛选十种候选。第二阶段使用广义性能函数 Z_gen，通过数字逻辑成对比较法赋权，比较三种设计视角；属性含 (BH)_max、ACI、T_max、ρ、C_avg、EnvI_mass 或 EnvI_MS。关键性以 Criticality Indicator（CI）按元素质量分数计算 ACI。LCA（Life Cycle Assessment，生命周期评价）按 ISO 14040/14044，从摇篮到大门（cradle-to-gate），功能单位为生产 1 kg 磁体，采用 European Environmental Footprint（EF）v3.1 单分、SimaPro v9.6 和 Ecoinvent v3.10。LCI 来源包括 Bailey et al.、Wang et al.、Amato et al.，T_max 缺失值取自 Jayaraman。

3. 结果与讨论

3.1. Pre-selection with two conflicting objectives (trade-off plot)（双冲突目标预筛选：权衡图）
研究人员通过权衡图将参考 Ferrite 1 置于 (1,1)。α=0.01 时磁性能主导，选择 Nd-Fe-B N52、SmCo 32 和 S SmCo 26HS；α=100 时关键性主导，Al-Ni-Co 3 (cast)、Ferrite YBM-4B 和 Ferrite YBM4D 最接近切点；α=1 平衡选择 Ferrite YBM2B、C Al-Ni-Co 2 (cast) 和 C Al-Ni-Co 2 (sintered)，加上 Ferrite 1 构成十种候选。结论是低 α 下稀土磁体因高 (BH)_max 覆盖高 ACI，高 α 下转向中等磁性能且较低关键性的 Al-Ni-Co 和硬铁氧体。

3.2. Alloy criticality assessment and ACI results（合金关键性评估与 ACI 结果）
通过将元素 CI 与质量分数结合计算 ACI。SmCo 32 和 S SmCo 26HS 的 ACI 最高（5.01），Nd-Fe-B N52 为 2.68，其余低于 1。含 Co 的 C Al-Ni-Co 2 (cast) 与 C Al-Ni-Co 2 (sintered) 为 0.93–0.96，高于无 Co 的 Al-Ni-Co 3 (cast) 的 0.36；硬铁氧体 ACI 低，但随 Sr 含量增加。ACI 补充环境指标，反映资源安全维度，高值表示供应中断暴露更高和长期供应韧性较低。

3.3. Environmental impact assessment and EnvI results（环境影响评估与 EnvI 结果）
采用 EF v3.1 单分计算每千克磁体从摇篮到大门影响。SmCo 最高（2.07E-02 Pt/kg），Nd-Fe-B N52 次之（9.79E-03 Pt/kg），Al-Ni-Co 居中，硬铁氧体最低（8.23–8.91E-04 Pt/kg）。稀土高值源于稀土提取、分离和精炼的能源与化学品密集过程。按磁服务表示时，EnvI_MS 由 EnvI_mass 乘以密度再除以 (BH)_max 得到，排序显著改变：Ferrite YBM-2B 最低，Nd-Fe-B N52 和 Ferrite YBM4B 随后；Nd-Fe-B 因高 (BH)_max 抵消单位质量负担，Ferrite 1 和 Al-Ni-Co 因低 (BH)_max 变得不利，SmCo 仍高。

3.4. Final selection through multi-attribute assessment（通过多属性评估进行最终选择）
研究人员进行两种并行多属性分析。质量基准使用六属性：(BH)_max、ACI、ρ、C_avg、T_max、EnvI_mass；磁服务基准使用四属性：ACI、C_avg、T_max、EnvI_MS，并省略 (BH)_max 和 ρ 以避免重复计算。三种视角分别为传统工业设计、环境卓越性和同等知情设计。质量基准下前六名稳定，硬铁氧体占据前四，Ferrite YBM-4D 第一，随后 Ferrite YBM4B、Ferrite 1 和 Ferrite YBM2B；Al-Ni-Co 3 (cast) 第五，Nd-Fe-B 第六；SmCo 和含 Co 的 Al-Ni-Co 排名较低。磁服务基准下前五名稳定，Ferrite YBM-2B 第一，随后 Ferrite YBM4B、Ferrite YBM-4D 和 Ferrite 1；Nd-Fe-B 在前两种视角第六，在同等知情设计下第八。

3.4.1. Hard ferrite discussion（硬铁氧体讨论）
硬铁氧体在质量基准所有视角中排名前四，因低密度、成本、ACI 和 EnvI_mass 尽管磁性能适中。Sr 通常提高 (BH)_max，但也提高关键性和环境负担，Ba 也有类似但程度较低的影响；Ferrite YBM-4D 提供最有利平衡。磁服务基准下 Ferrite YBM-2B 从第四升至第一，YBM-4B 和 YBM4D 随后，Ferrite 1 因较低 (BH)_max 导致较高 EnvI_MS 降至第四。

3.4.2. Rare earth (Nd-Fe-B and SmCo) magnets discussion（稀土磁体讨论）
质量基准下 Nd-Fe-B N52 具最高 (BH)_max，但高成本、ACI 和 EnvI_mass 使其处于中间；SmCo 因高成本、关键性和高一到两个数量级环境质量分而最不利。磁服务基准下 Nd-Fe-B N52 的 EnvI_MS 第二低，但前两视角第六，同等知情设计第八，因高成本、ACI 和低 T_max 抵消环境优势；SmCo 在所有视角最后两位。

3.4.3. Al-Ni-Co magnets discussion（Al-Ni-Co 磁体讨论）
质量基准下无 Co 的 Al-Ni-Co 3 (cast) 所有视角第五，含 Co 的 C Al-Ni-Co 2 (cast) 与 C Al-Ni-Co 2 (sintered) 较低，因 Co 提高 ACI 和 EnvI_mass；铸造与烧结相对位置取决于权重。磁服务基准下 Al-Ni-Co 低 (BH)_max 导致最高 EnvI_MS，Al-Ni-Co 3 (cast) 第五，C 版本第六至第八，铸造版因较高 (BH)_max 和较低 EnvI_MS 优于烧结版；无 Co 牌号在族内最好。

3.4.4. Final considerations（最终考量）
研究人员指出排名并非普遍有效的材料推荐，结果依赖所选属性、权重假设和环境参考基准。EnvI_mass 偏向低单位质量从摇篮到大门影响，EnvI_MS 奖励单位环境影响提供更高最大能量积的材料。与 Jayaraman 未纳入关键性和环境指标的研究相比，纳入后偏好转向硬铁氧体并惩罚稀土牌号。排除使用阶段和 EoL（End-of-Life，生命末期）阶段可能使排名偏向低从摇篮到大门影响材料，如硬铁氧体；需应用特定评估判断使用阶段节能和回收收益是否抵消稀土磁体较高生产负担。

4. Conclusions and future perspectives（结论与未来展望）翻译：
本研究开发了一种永磁体两阶段材料选择框架，将磁性能、工程属性、成本与原材料关键性及生命周期环境性能整合。第一阶段使用 Ashby 权衡图与两个冲突目标 (BH)_max 和 ACI，确定十种商业相关候选材料。第二阶段在“传统工业设计”“环境卓越性”和“同等知情设计”视角下应用加权广义性能函数。这些替代权重方案减少但未消除属性重要性分配的主观性。框架在第二阶段使用两种并行环境表述：含六独立属性的质量基准分析——(BH)_max、C_avg、ρ、T_max、ACI 和 EnvI_mass，以及含四属性的磁服务分析——C_avg、T_max、ACI 和 EnvI_MS。后一分析中，(BH)_max 和 ρ 不作为独立标准，因为二者已纳入 EnvI_MS，从而避免重复计算。该双重结构允许设计人员选择最能反映其应用约束的环境基准。环境参考基准影响牌号选择。质量基准分析中，硬铁氧体在所有三种视角下占据前四：Ferrite YMB-4D 第一，随后 Ferrite YBM4B、Ferrite 1 和 Ferrite YBM2B。Al-Ni-Co 3 (cast) 和 Nd-Fe-B 占据第五和第六，SmCo 和两种含 Co 的 Al-Ni-Co 牌号位于较低部分。当影响按单位磁服务表示时，YBM-2B 在每个视角成为领先材料，随后 Ferrite YBM4B、Ferrite YBM-4D 和 Ferrite 1。尽管 EnvI_MS 低，Nd-Fe-B 合金在“传统工业设计”和“环境卓越性”视角仍第六，在另一视角降至第八，因高成本、高 ACI 和低 T_max 抵消该优势。相反，Al-Ni-Co 合金低 (BH)_max 导致相对高的 EnvI_MS，但并未降低其在磁服务表述中的总体性能。SmCo 牌号仍因高成本、ACI 和环境影响受罚。虽然硬铁氧体在所有权重方案下领先，但族内变化和排名中部变化表明环境参考基准可影响优选材料。该框架旨在作为透明决策支持工具，而非普遍适用建议。结果依赖所选属性及成对加权假设的内在主观性。额外局限来自基于文献的 LCI 在若干假设下改编，以及系统边界排除使用和 EoL 阶段。此外，为不同磁体推导单一环境分数存在高度不确定性，源于所选 EF v3.1 影响评估方法的归一化和加权步骤。分析仅考虑室温 (BH)_max，未研究其温度依赖性。最后，候选集限于商业可得牌号，排除实验开发材料和新兴合成路线。未来研究应结合更准确的 LCI、使用和 EoL 阶段建模，并在包含实验表征和新兴磁体材料的应用特定案例中测试框架。