更新时间：2024-09-21 02:50
稀土永磁材料（Rare Earth Permanent Magnets）是被外磁场磁化后，去掉外磁场仍能保持高剩磁的材料，由ree与过渡金属组成的合金构成。主要的组成种类有钕铁硼（NdFeB）、钐钴（SmCo）、钐铁氮（SmFeN）等。稀土永磁材料具有高磁能积、热稳定性、抗腐蚀性和环保性等性能，在现代工业中得到广泛应用，在汽车和航空、声学与传感、能源与环境、磁性存储等领域占有重要地位。稀土永磁材料中的稀土元素具有毒性，会污染水体、大气和土壤，也会对人体器官造成损伤。
20世纪60年代，永磁材料中增加了新的成员，即“稀土永磁材料”。美国磁体专家斯特纳特（Strnat）首次提出了使用ree制造高性能永磁材料的概念，并研制出第一代钐钴（SmCo5）永磁体。添加稀土元素大幅度提高了永磁材料的磁性能。日本科学家小岛泰彦（Teruhiko Ojima）等人于70年代开展了研究，用粉末冶金法制作出了性能良好的第二代钐钴（Sm2Co17）永磁体，该磁体具有非常强大的磁性能。到了80年代，日本科学家佐川（Sagawa）和他的团队成功地开发出了第一个商业化的稀土永磁材料，即钕铁硼（NdFeB）磁体。该材料具有极高的磁能积和矫顽力，成为当时性能最好的永磁材料。
美国的科学家格罗特（Groat）也在20世纪80年代成功地合成了钕铁硼永磁材料。中原地区于20世纪90年代开始研究并生产稀土永磁材料。中国拥有丰富的稀土矿资源，也是全球稀土永磁材料的主要生产国。20世纪开始，日、美、欧洲等国家的稀土永磁产业发展较为缓慢，但中国迅速发展成为最大的稀土永磁材料生产基地。由于稀土永磁材料的研发和应用不断推进，其他各国也开展了稀土永磁材料的研究，以提高其性能并拓宽应用领域。除了钕铁硼磁体，还涌现出一些新型的稀土永磁材料，如钴基永磁材料和钕铁硼/钴永磁材料。
在汽车行业，稀土永磁材料制造的电机具有较高的能量密度和出色的动力性能，使fcv具有更高的行驶里程和更快的加速。稀土永磁材料也被用于内燃机的起动器和发电机中，提供更高的输出功率和更高的效率，减轻了发动机的重量和体积，降低了燃油消耗。稀土永磁材料还可用于制造电磁制动器、混合动力车辆和轨道交通系统中的电机。
稀土永磁材料被用于飞机和卫星等设备中的各种电机和执行器，设计出的航空电机性能优异、比功率大、重量轻。制造出的航天仪器实现了轻量化，也提升了燃油效率和推力，改善了可靠性，降低了维护难度。稀土永磁材料也被用于制造飞机的航空仪表，以提供准确的导航和定位信息。而钴基永磁材料的矫顽力较高，并且具有抗氧化、抗腐蚀、耐高温的特性。
在声学方面，稀土永磁材料可用于扬声器和耳机中。稀土永磁材料的强大磁力可以使扬声器和耳机产生更强大的磁场，将电信号准确地转化为声音信号，提供更好的音质和音量。
在传感器领域，稀土永磁材料可用于磁场传感器中。这些传感器能够测量和检测磁场、位置和运动等参数，广泛应用于导航、磁共振成像、自动控制和精密测量等领域。稀土永磁材料的强大磁力和稳定性能使其成为制造高灵敏度和精确性传感器的理想选择。设计出的传感器具有寿命长、响应速度快、微型轻量化等特点。
在能源方面，稀土永磁材料的高磁能积和稳定性能更高效地将自然能源转化为电能，推动可再生能源的发展。在风力水力发电领域，其可以提高发电机的输出功率和效率，也能够在恶劣的环境条件下稳定运行。稀土永磁材料还被应用于磁能发电机，具有高效率、轻量化、小型化、低维护成本的优势，广泛应用于微型发电装置、可穿戴设备和低功率应用中。
在环境方面，稀土永磁材料被用于制造高效的磁性分离设备。磁性分离技术利用稀土永磁材料的磁性特性，可以将混合物中的磁性物质快速分离出来。这在废水处理、垃圾回收、资源回收和矿石提取等领域发挥着重要作用。通过磁性分离技术，可以实现高效的固液分离、固体废弃物回收和有害物质去除，有效地提高环境保护和资源利用效率。
在磁性材料方面，稀土永磁材料可以用于制备高性能的磁体、磁芯和磁导材料等。稀土永磁材料被广泛应用于磁共振成像（MRI）、磁力推动系统、磁力悬浮技术、高速列车和航天器件等领域。磁共振成像利可以获得高分辨率的医学影像，用于诊断和研究。磁力推动系统利用稀土永磁材料的磁力产生和控制，可以实现高效率和环保的运输系统。
在磁存储方面，稀土永磁材料可用于机械硬盘和磁带存储等领域。稀土永磁材料是制造高密度数据存储媒介的理想选择。电脑硬盘利用稀土永磁材料在磁性盘片上形成稳定的磁场，以存储和读取数据。磁带存储则利用稀土永磁材料的高磁能积和长时间稳定性，以实现大容量的数据存储和长期保存。
稀土永磁材料主要由ree（如、、钐等）和过渡金属（如铁、钴、硼等）组成。一般可根据不同的成分和结构，将稀土永磁材料进行分类。含钕的材料具有更大的磁能积，因而其应用范围更广，种类也较多。
钕铁硼永磁材料（NdFeB）是最常见和最广泛应用的稀土永磁材料。其由钕（Nd）、铁（Fe）和硼（B）等元素组成。其化学式为Nd2Fe14B。这种材料的结构是一种四方晶体结构，由钕离子（Nd3+）、铁离子（Fe2+和Fe3+）以及硼离子（B3+）组成。其中，钕元素提供了高矫顽力和高磁能积的特性，铁元素提供了稳定的磁性能，而硼元素有助于稀土与过渡金属形成稳定的结构。钕铁硼永磁材料、具有非常高的磁能密度，能够产生极高的磁场，且在小体积下能提供较大的磁力。改变钕铁硼的元素配比和制造工艺，可以制备出对应磁性能的磁体级别，如N35。钕铁硼永磁材料的价格处于中下水平、力学性能好。但是它的化学性能和热稳定性较差，可通过调整化学组分或者引入新元素来改善。
钴基永磁材料（Co-based）是一类以钴（Co）为基础元素的稀土永磁材料。它们通常由钴、过渡金属和ree组成，如钐钴（SmCo5）（Sm2Co17）、钴镝铝（CoDyAl）和钴钕铁铝（CoNdFeAl）。钴基永磁材料相对于钕铁硼具有较高的耐高温性能，可以在高温环境下保持较好的磁性能。钴基永磁材料相较于其它永磁材料具有较高的矫顽力和抗氧化抗腐蚀性能。
钕铁硼/钴永磁材料（NdFeB/Co）是一类复合材料，由钕铁硼磁体和钴基永磁材料的复合体组成，含有Nd2（FeCo）14B 相和少量的富 Nd 相，仍属于四方晶系，空间群为P42/mnm。通过钕铁硼/钴永磁材料的复合，可以获得更好的性能和综合特性。钕铁硼/钴永磁材料结合了钕铁硼和钴基永磁材料的优点，使具有较高的磁能积、矫顽力，也获得了耐高温性能。这种复合材料可以在不同温度范围内保持稳定的磁性能。
钐铁氮永磁材料（SmFeN）由ree钐（Sm）、过渡金属铁（Fe）和氮（N）元素组成，具有优异的磁性能和高温稳定性。它具有比传统稀土永磁材料更好的能源产品、更高的矫顽力和更高的工作温度。钐铁氮材料的磁性能主要取决于晶体结构和微观结构。它具有较高的矫顽力和剩磁，可以在较高的温度下保持较高的磁性能。优化其制备工艺，用热压方法制备烧结磁体可以进一步提高其性能。钐铁氮材料中的稀土含量也较低，因此具有很好的资源利用性和环境友好性。
纳米晶复合永磁材料是一种具有优越磁性特性的材料。通过将纳米晶颗粒嵌入到基体材料中，纳米晶颗粒和基体材料组成了一种永磁相和软磁相结合的纳米晶复合磁体。纳米晶颗粒是非常小的颗粒，通常具有纳米级别的尺寸（尺寸在1-100 nm之间）。这种纳米尺寸使得材料的磁性能得到显著改善。纳米晶颗粒的尺寸接近于单个磁畴的尺寸，使得材料具有更高的磁饱和强度和更低的磁畴壁能量，理论磁能积可达到80~100 MGOe。调控软、硬磁纳米晶的界面结构和化学组成可以促进纳米晶间磁交换耦合的增强和磁体矫顽力的提高。
稀土永磁材料具有特殊的结构，且主要成分是ree。这些稀土元素具有特殊的电子结构和磁矩排列方式，使得稀土永磁材料具有较高的磁性强度。稀土永磁材料中的磁矩通常以磁畴的形式存在。磁畴是一组在磁场中具有相同方向的磁矩的区域。在无外界磁场作用下，磁畴的方向会随机分布，导致整体磁矩的矢量和接近零。当外界磁场施加到稀土永磁材料上时，磁畴会逐渐沿着外界磁场的方向重新排列，形成更大的磁矩矢量和。稀土永磁材料的磁晶结构具有各向异性，即在不同的晶向上具有不同的磁性特性。这种各向异性使得稀土永磁材料在特定的磁场方向上表现出较高的磁性强度。不同种类的稀土永磁材料在结构上具有相似性，都存在磁畴的重新排列和磁晶的各向异性变化。
通过引入氮和硼等原子，占据的间隙晶位会改变金属离子的晶场作用和能带结构，导致磁晶各向异性发生变化；而铁原子3d电子能带结构的改变，可以使得磁化强度和居里点升高，从而提升稀土永磁材料的性能。
稀土永磁材料具有许多独特的特性和优异的性能，使其在工业应用中具有重要价值。以下是稀土永磁材料的主要特性：
稀土永磁材料具有非常高的磁能积，也称为磁能密度。这意味着在给定体积内，稀土永磁材料可以存储更多的磁能量，从而实现更强的磁力输出。高磁能积使得稀土永磁材料成为制造小型和轻量化电机、发电机和磁体的理想选择。稀土永磁材料具有出色的磁性能，表现为高剩磁、高矫顽力和高磁导率等特点。剩磁指的是材料在磁场消失后仍保持的磁化程度，单位为特斯拉（T）和高斯（Gs），1 Gs=0.0001 T；矫顽力是材料需要经历的磁场强度才能完全去磁化，单位是汉斯·奥斯特（Oe）或安/米（A/m），1 A/m=79.6 Oe。这些特性使得稀土永磁材料在电机和发电机中实现高效能转换，并提供强大的磁力。
稀土永磁材料在一定温度范围内具有优异的稳定性。其在高速、高温和高湿度环境下依然能够稳定工作。相比传统的铁氧体和AlNiCo等磁性材料，稀土永磁材料的寿命更长，可以满足许多高要求的工业应用。其中，钕铁硼的工作温度范围通常在80~200 ℃，而商用钐钴磁体工作温度可达300 ℃以上。
稀土永磁材料通常具有良好的抗腐蚀性能，可以在恶劣的环境条件下长时间稳定工作。加入电势高的合金元素（钴、铝、等）和镀层进一步提升抗腐蚀性能。稀土永磁材料也具有较好的可加工性，可以通过压制、烧结和磁化等工艺制成各种形状和尺寸的磁体。这种灵活性使得稀土永磁材料能够满足不同应用场景的需求，提升抗腐蚀性能，并且可以实现复杂形状的磁体设计。
稀土永磁材料是一种相对环保的材料。尽管它们的组成包含稀有的稀土元素，但与其他磁性材料相比，稀土永磁材料的资源利用率较高。稀土永磁材料的制备过程中可以采用循环利用和回收利用的方法，减少对环境的影响，实现循环经济和稀土产业链的支配能力。在制造和应用过程中，稀土永磁材料的使用还可以降低能源消耗和减少废弃物产生，对可持续发展具有积极意义。可通过直接回用法、火法冶金、湿法冶金、电化学回收工艺四个方法对稀土永磁材料进行回收
粉末冶金法是一种常用的制备稀土永磁材料的方法。将ree、过渡金属和其他合金元素按一定比例混合，并通过球磨、机械合金化等方法进行均匀混合。混合粉末放入高温炉中，在惰性气氛或真空条件下进行烧结处理。烧结过程中，粉末颗粒会发生结合，形成致密的块体材料。通过研磨、切割等工艺对材料进行加工，制成所需的形状和尺寸。在操作过程中应注意开裂缺角、变形和尺寸超差等现象，并进行回火处理，提高矫顽力。
黏结法可用于制备钕铁硼磁体，将钕铁硼粉末与树脂、塑胶或低熔点金属等黏结剂均匀混合，然后用压缩、 挤压或注射成型等方法可制成复合型钕铁硼永磁体。产品一次成形，无需二次加工，可直接做成各种复杂的形状。采用合适的工艺提高密度可大幅提高其磁性能，如采用降低黏结剂含量及提高成型压力等措施可使密度提高。
快速凝固法是一种将熔融合金迅速冷却形成块体材料的制备方法。在该方法中，稀土和过渡金属的合金化元素被熔化，并通过高速冷却方式，如快速火或快速凝固技术，使合金液迅速凝固成固态材料。快速凝固过程中，凝固速度快，固态相结构中的晶粒尺寸较小，从而可以获得优异的磁性能。快速凝固法制备的稀土永磁材料常用于制备薄膜、盘条和纳米晶等形态。
除了上述方法，还有一些其他的制备方法，如离子交换法、热分解法、水热法、共沉淀法、气相沉积法、溶胶凝胶法、电化学沉积法等。这些方法根据不同的原理和工艺条件，可以实现稀土永磁材料的制备。
ree是稀有的元素，其产量有限且分布不均衡。这种资源的不稳定的性可能导致供应不稳定性和价格波动。稀土永磁材料的生产成本相对较高。稀土元素的稀缺性和复杂的提取过程导致了较高的原材料成本。此外，稀土永磁材料的制备过程需要精密的工艺和设备，进一步增加了生产成本。
稀土永磁材料在高温环境下可能会发生磁性丧失或衰减。一些稀土永磁材料具有相对较低的居里点，超过该温度后，其磁性能会显著下降。这限制了稀土永磁材料在高温应用中的使用。
一些稀土永磁材料具有脆性，易于破裂和碎裂。这在一些应用中可能限制了它们的使用。此外，稀土永磁材料通常具有较低的抗腐蚀性和机械强度，需要采取额外的保护措施以防止氧化和损坏。
稀土永磁材料在磁能积和稳定性方面已经达到了较高水平，但仍有提升空间。通过改变材料组成、晶体结构和磁颗粒形状等方式，可以提高稀土永磁材料的磁能积和温度稳定性、化学稳定性、时间稳定性和力学稳定性，以满足不断增长的应用需求。
除了稀土永磁材料，其他类型的永磁材料也在被探索和研发，如磁相变材料、磁体磁性复合材料和磁性纳米材料等。这些新型永磁材料可能具有更高的磁能积、更高的工作温度和更低的成本，为永磁材料的应用提供了新的选择。新型纳米材料相较传统材料而言具有更好的高温性能和力学性能。
将高丰度稀土元素La、Ce、Y大量应用于稀土永磁材料的生产，可以缓解Nd、Pr等稀土资源的过渡消耗，达到稀士资源平衡利用，稀土产业健康发展的目标。这样降低了生产成本，提高了企业产品利润，又可以实现稀土资源利用的可持续发展。
稀土永磁材料的生产和废弃物处理涉及一些环境问题。为了实现可持续发展，未来的发展趋势将包括开发环境友好的稀土永磁材料的再生和回收技术。这包括开发高效的稀土永磁材料回收和再利用方法，以减少对稀土矿石的需求和环境影响。研究新型的绿色生产工艺，可以减少稀土永磁材料生产过程中的能源消耗和废物排放。
稀土永磁材料可以与其他材料进行复合，形成多功能的复合材料。例如，稀土永磁材料可以与金属、聚合物、陶瓷等材料结合，形成具有特定性能和功能的复合材料。这将进一步扩展稀土永磁材料的应用领域，并实现更多定制化和高性能的材料需求。
稀土永磁材料的生产和应用可能对环境产生一定的影响。在稀土开采和提取过程中，可能产生大量的废水和废气，其中含有有害物质，这些物质中的稀土元素会在土壤和水体中富集，对生态系统产生破坏。这些废物需要经过严格的处理和处理措施，以确保不会对水源和土壤产生污染。稀土永磁材料的废弃物处理也需要注意，避免对环境造成二次污染。在使用稀土永磁材料的产品中，如汽车传感器和fcv，应进行合理的回收和处理，以减少对环境的负面影响。
稀土永磁材料中的ree可能对人体产生一定的毒性。尤其是钕铁硼中含有的钕元素，长期接触或吸入其粉尘可能对人体造成极大损伤，其会随血液循环可以进入脑部并蓄积，可能会使得儿童智商低下、成人中枢神经传递受阻、大脑功能受影响。因此，在稀土永磁材料的制备和使用过程中，应采取必要的防护措施，如佩戴防护手套、口罩和眼镜，确保操作人员的安全。稀土永磁材料的应用中也要遵循相关的安全操作规程和标准，确保人员的健康与安全。
稀土永磁材料常用的回收方法可分为直接回用法、火法回收工艺、湿法冶金、电化学法。
直接回用法是经过简单的处理后，就将废料再次应用于生产制造中，制成新的稀土永磁材料。火法回收工艺是利用高温下快速的反应动力学，通过冶金物理化学反应实现ree的分离提纯。湿法冶金是把整个永磁废料完全/部分溶解在强矿物酸之中，从而进行加工处理回收。而电化学法则是通过电解的方法实现稀土金属/合金的回收以及选择性浸出废料中的稀土元素并降低废水排放。根据废料的氧化程度、污染程度以及最终回收目标产品的不同，可用使用针对性的回收技术进行回收。