通过添加Al2O3纳米颗粒，同时改善了热变形Nd-Fe-B磁体的磁性能和电阻率

《Journal of Alloys and Compounds》：Simultaneous Enhancement of Magnetic Properties and Electrical Resistivity in Hot-Deformed Nd-Fe-B Magnets via Al2O3 nanoparticles addition

　　

廖雪峰|曾伟伟|卢慈福|唐仁恒|周邦|周青

广东省科学院资源利用与稀土开发研究所，广州510640，中国

摘要

Nd-Fe-B磁体是新能源汽车牵引电机的有希望的候选材料，然而，其应用通常受到高温下热退磁和显著涡流损耗的限制。本研究提出了一种策略，以同时提高热变形Nd-Fe-B磁体的磁性和电性能。结果表明，晶界添加Al₂O₃纳米颗粒可以同时增加矫顽力（μ_{0Hc）和剩磁（μ0Mr）。微观结构表征显示，高硬度的Al2O3纳米颗粒有效地填充了晶片间的缺陷，从而抑制了错位粗晶（CG）的形成，并促进了晶格的均匀排列。此外，掺杂0.3 wt.% Al2O3的磁体在室温下的电阻率增加到214 μΩ·cm，比未掺杂的磁体（190 μΩ·cm）有显著提高。电磁模拟证实，这种提高的电阻率有效减少了热量产生，使得在模拟的永磁同步电机（PMSM）中的涡流损耗降低了19%。这些发现表明，Al2O3掺杂是开发用于高速电机应用的高性能Nd-Fe-B磁体的可行途径。}

引言

Nd₂Fe₁₄B型永磁体由于其优异的室温磁性能而在牵引电机和发电系统中得到了广泛应用[1]。然而，永磁电机的工作温度环境，特别是在新能源汽车和风力涡轮机中，通常在150°C到200°C之间[2]，[3]。这种高温会导致传统Nd-Fe-B磁体发生热退磁，因为它们的居里温度（T_c）相对较低（约312°C），从而影响这些电机的高效运行。传统上，解决这些工程问题是通过提高磁体的室温矫顽力（μ_{0Hc）来确保它们在高温下仍能保持所需的μ0Hc[4]。这种增强主要是通过合金化或晶界扩散过程（GBDP）实现的，该过程将重稀土（HRE）元素如Dy或Tb引入Nd-Fe-B磁体[5]，[6]，[7]。这些过程形成了(Nd,HRE)2Fe14B壳层结构，增加了主相的磁晶各向异性（μ0HA）。尽管这些方法有效，但它们在磁体的主要磁性能之间带来了权衡，特别是显著提高了μ0Hc而降低了剩磁（μ0Mr[8]，[9]。此外，HRE元素的高价格波动和长期供应紧张性要求减少其使用，从而限制了它们的广泛应用。}

为了实现永磁电机的高效运行，不仅要解决Nd-Fe-B磁体的热退磁问题，还要分析电机温度升高的电磁原因。在运行过程中，Nd-Fe-B磁体会受到动态磁场的作用，由于这些磁体的电阻率较低，因此会产生涡流损耗，导致显著发热[10]。因此，提高Nd-Fe-B磁体的电阻率可以有效地降低运行过程中的温度升高。先前的研究表明，添加CaF₂[11]或通过Pr-Tb-Al-Cu进行晶界扩散[12]可以成功提高烧结磁体的电阻率，从而抑制涡流损耗。最近，类似的研究扩展到了使用各种氟化物和氧化物添加剂（包括NdF₂[13]、DyF₃[14]、[15]、CaF₂-LiF[16]和SiO₂[17]）的热变形纳米晶Nd-Fe-B磁体。这些研究表明，热变形磁体的电阻率略高于烧结磁体，这归因于它们的纳米晶结构。

然而，这些磁体的综合磁性能与其高电阻率并不完全兼容。添加的非磁性物质会导致显著的磁稀释，从而降低磁体的μ_{0Mr。理论上，各向异性Nd-Fe-B磁体的μ0Mr不仅取决于成分，还取决于取向程度[18]。在热变形磁体的情况下，局部异常晶粒生长是一个普遍问题，严重影响了晶粒排列并降低了其μ0Mr[19]。此外，粗晶（CG）的存在常常会触发反转畴的过早 nucleation，导致μ0Hc的显著降低[20]，[21]。这种无取向的CG的形成通常源于初始熔融旋压带的自由边形态[22]。在热变形过程中施加轴向压力时，富RE相的聚集和界面缺陷的出现共同催化了这些脆弱区域的快速晶粒膨胀[23]。}

先前的研究广泛探讨了添加难熔纳米颗粒（包括Nb[20]、WC[21]、[24]、h-BN[25]和石墨烯[26]）来填充带状晶片间的界面缺陷。这些纳米颗粒具有高硬度，有效地增强了缺陷易发区域的应力，从而抑制了CG的形成并促进了主晶的各向异性生长。基于这一基础理解，本研究引入了氧化铝（Al₂O₃）纳米颗粒作为热变形Nd-Fe-B磁体的添加剂。氧化铝以其高电阻率而闻名，这自然有望提高掺杂磁体的体电阻率。此外，Al₂O₃的高硬度预计可以填充界面缺陷，从而抑制CG的形成，并同时提高剩磁和矫顽力。本研究提出的方法旨在克服Nd-Fe-B磁体中电阻率和磁性能之间长期存在的看似固有的权衡。传统的绝缘添加剂通常以提高电阻率为代价来降低剩磁，而Al₂O₃的双重功能机制实现了微观结构的协同优化和性能的提升。这一策略为制造适用于高温电机转子的高性能Nd-Fe-B磁体提供了可行的途径。

章节片段

样品制备

使用商业化的无HRE Nd-Fe-B（MQU-F）磁粉（组成为Nd_30.1Fe_64.28Co_4.1B_0.93Ga_0.59（wt.%）和α-氧化铝（α-Al₂O₃）粉末作为起始材料。Nd-Fe-B颗粒的直径在100-650 μm之间，厚度为20-30 μm，而α-Al₂O₃掺杂剂的尺寸在50到100 nm之间。为了确保均匀分布，α-Al₂O₃和Nd-Fe-B粉末通过机械混合过程混合了2小时。

结果与讨论

图1(a)展示了原始热变形磁体以及添加了不同量纳米Al₂O₃的磁体的室温退磁曲线。相应的矫顽力μ_{0Hc和剩磁μ0Mr值分别显示在图1(b, c)中。原始磁体的μ0Hc为13.2 kOe，μ0Mr为13.4 kGs，值得注意的是，随着纳米Al2O3的添加，μ0Hc和μ0Mr最初有所增加，但随后又有所下降。在0.6-AO样品中观察到了最高的μ0Hc，为14.5 kOe。}

结论

本研究证明了晶界添加纳米Al₂O₃在优化热变形Nd-Fe-B磁体整体性能方面的有效性。这些纳米颗粒有助于抑制有害的错位粗晶的 nucleation，同时促进了热变形过程中高度各向异性晶粒结构的形成。这种微观结构的改善使掺杂0.3 wt.% 的磁体能够克服传统的磁性能之间的权衡。

CRediT作者贡献声明

周青：撰写 – 审稿与编辑，资源管理。曾伟伟：软件，数据管理。廖雪峰：撰写 – 原始草稿，资源管理，研究，概念化。卢慈福：研究，正式分析。周邦：撰写 – 审稿与编辑，研究。唐仁恒：方法论，数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢广东省重点领域研究与发展计划（编号2024B0101070002）、国家自然科学基金（编号52301237）、广东省科学院青年人才项目（编号2025GDASQNRC-0105、2025GDASQNRC-0326和2024GDASQNRC-0301）、广东省科学技术发展项目（编号2022GDASZH-2022010104和2024GDASZH2024010102）以及中国博士后科学基金（编号2025M780090）的财政支持。

作者声明没有