中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近日，俄羅斯國(guó)立研究型技術(shù)大學(xué)（NUSTMISIS）與庫(kù)爾納科夫普通與無(wú)機(jī)化學(xué)研究所聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《俄羅斯無(wú)機(jī)化學(xué)雜志》發(fā)布一項(xiàng)突破性研究，宣布成功開(kāi)發(fā)出全球首款高性能六角鋇鐵氧體陶瓷磁體，或?qū)氐赘膶?xiě)永磁材料產(chǎn)業(yè)對(duì)稀土元素的依賴(lài)格局。
01.永磁材料有這三種
磁性材料的應(yīng)用在我國(guó)已經(jīng)有相當(dāng)久遠(yuǎn)的歷史。東周時(shí)期我國(guó)的科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了具有吸鐵特性的“石頭”并于《呂氏春秋》上記載下了“慈石招鐵”，之后由磁石制得的四大發(fā)明之一——指南針便是永磁體最早的應(yīng)用。
永磁材料在外加磁場(chǎng)后可長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定磁性，兼具高剩磁、高矯頑力、高磁能積及高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。直到上個(gè)世紀(jì)末，永磁材料才開(kāi)始快速發(fā)展并逐步發(fā)展為金屬合金類(lèi)永磁材料、稀土永磁材料、鐵氧體永磁材料幾種類(lèi)型。
金屬合金類(lèi)永磁材料于二十世紀(jì)三十年代開(kāi)始逐步問(wèn)世，其中以具備最大磁能積達(dá)到40kJ/m3的鋁鎳鈷系合金磁鋼發(fā)展應(yīng)用最為廣泛，并居于永磁材料統(tǒng)治地位達(dá)到半個(gè)世紀(jì)之久。但是其存在不易均勻充磁以及退磁的缺點(diǎn)，且其機(jī)械性能過(guò)于堅(jiān)硬，不易加工成型，故而大多數(shù)情況下僅能采用鑄造工藝成型，使得生產(chǎn)工序復(fù)雜且低效。
稀土永磁材料是指以稀土金屬Sm、Nd、Pr等和過(guò)渡族金屬Co、Fe等，采用合金熔煉的工藝制備的高性能永磁材料。其中釹鐵硼（NdFeB）永磁材料由于其具備最高性能的磁能積，亦被稱(chēng)為“永磁王”。但由于稀土永磁材料需要鈷元素且制備工藝條件奇刻，需要全程的氮?dú)獗Ｗo(hù)，因而其性?xún)r(jià)比不高，目前主要應(yīng)用于高端市場(chǎng)。
鐵氧體永磁材料主要供應(yīng)分布
鐵氧體永磁材料，又稱(chēng)磁性陶瓷，是先進(jìn)陶瓷中的一類(lèi)重要的功能陶瓷材料，它是將鐵的氧化物與其他某些金屬氧化物用制造陶瓷的工藝方法制成的具有亞鐵磁性的金屬磁性材料。其原料來(lái)源豐富，生產(chǎn)條件簡(jiǎn)單、過(guò)程可控且產(chǎn)品的抗侵蝕性強(qiáng)。此外，鐵氧體永磁材料僅在離子取代過(guò)程中摻入少量的Co、Ni以及稀土元素，故成本相較于前者大大降低。正因如此，鐵氧體是目前應(yīng)用最廣的永磁材料，在生產(chǎn)和應(yīng)用上已經(jīng)占據(jù)主體地位。
02.“去稀土化”已引起發(fā)達(dá)國(guó)家重視
目前，在高端市場(chǎng)，稀土永磁材料仍不可替代，但也面臨很大的難題。例如，釹鐵硼磁體雖具備1.5T超高磁能積，但其稀土元素占比達(dá)30%，而稀土又長(zhǎng)期存在資源供需失衡嚴(yán)重的問(wèn)題。此外，隨著溫度升高，稀土永磁材料劣化特性增大，對(duì)于要求在200℃以上的溫度區(qū)域穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的新一代汽車(chē)和風(fēng)能產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，存在諸多限制。為了彌補(bǔ)這些不足，確保良好的高溫特性以及產(chǎn)業(yè)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，迫切需要不用或減少稀土元素使用，同時(shí)開(kāi)發(fā)替代性的新型永磁材料。
發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到開(kāi)發(fā)新型磁性材料的必要性，因而正在從國(guó)家層面開(kāi)展一些超大型項(xiàng)目。
近年來(lái)，以日本為中心的國(guó)家積極開(kāi)展稀土類(lèi)磁性材料替代材料的研究，在日本國(guó)內(nèi)，從2007年開(kāi)始，作為日本經(jīng)濟(jì)通產(chǎn)省“稀有金屬替代材料開(kāi)發(fā)項(xiàng)目”的一部分，首先開(kāi)始了“稀土類(lèi)磁性材料中減少稀土使用量”的技術(shù)開(kāi)發(fā)。通過(guò)這些技術(shù)，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)稀土使用量減少約50%，部分技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。2012年開(kāi)始啟動(dòng)“新元素戰(zhàn)略項(xiàng)目”，除了稀土減量技術(shù)，對(duì)于新型永磁鐵開(kāi)發(fā)，嘗試從“理論-材料-評(píng)價(jià)”的融合研究概念中尋找答案。將這些課題按照開(kāi)展階段進(jìn)行分類(lèi)，大致包括：①減少最稀缺的重稀土元素（Dy）的階段；②減少總稀土含量的階段；③最終開(kāi)發(fā)新型磁性材料以取代稀土磁鐵的階段。
美國(guó)從2011年開(kāi)始推行名為“材料基因組計(jì)劃”的新戰(zhàn)略材料開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，重點(diǎn)是替代稀土的新合金材料的開(kāi)發(fā)課題。此外，從2009年起，美國(guó)特拉華大學(xué)的GeorgeC.Hadjipaanysis教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)始著手稀土替代型磁性材料的開(kāi)發(fā)。
在歐盟地區(qū)，已經(jīng)啟動(dòng)了名為“ROMEO”的課題，這是歐洲七大框架計(jì)劃之一，旨在開(kāi)發(fā)更為先進(jìn)的永磁鐵，不使用或減少使用關(guān)鍵原材料。在2008年首次舉辦了原材料倡議，重點(diǎn)探討混動(dòng)/電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵零部件高性能磁鐵中稀土元素Nd的減量/替代方案。
此外，韓國(guó)對(duì)異于傳統(tǒng)稀土磁性材料的新型磁性材料也展開(kāi)了一系列的研究。
03.俄羅斯新成果，或?qū)⑼苿?dòng)每年$150億的價(jià)值轉(zhuǎn)移
納米重構(gòu)+液相燒結(jié)雙突破
此番俄羅斯研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出了全球首款高性能六角鋇鐵氧體陶瓷磁體系通過(guò)兩項(xiàng)核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)破局。
首先是納米晶片工程：研究人員精確調(diào)控鋇鐵氧體晶體生長(zhǎng)方向，制備出直徑50nm、厚度5nm的六邊形納米片，矯頑力提升至5.6kOe，較商用產(chǎn)品提升40%；
其次是低溫致密化工藝：研究人員創(chuàng)新引入氧化鉍/氧化硼低溫熔劑，在900℃實(shí)現(xiàn)陶瓷體燒結(jié)，晶粒生長(zhǎng)抑制率超75%，最終磁體矯頑力穩(wěn)定在5.3kOe。
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人安德烈·季莫費(fèi)耶夫副教授介紹說(shuō)，“我們的磁體在-60℃至200℃溫域內(nèi)磁通衰減率小于3%，這使其在汽車(chē)電機(jī)等極端環(huán)境應(yīng)用中具備顯著優(yōu)勢(shì)�！�
成本直降近80%的綠色替代方案
該新型陶瓷磁體的商業(yè)化將帶來(lái)三重變革：
（1）成本方面，原料成本僅為釹磁體的1/5，磁體綜合生產(chǎn)成本降低78%；
（2）性能方面，耐腐蝕性達(dá)ASTMB117標(biāo)準(zhǔn)2000小時(shí)鹽霧測(cè)試要求，壽命延長(zhǎng)3倍；
（3）供應(yīng)鏈方面，完全規(guī)避稀土元素，緩解地緣政治導(dǎo)致的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。
目前該技術(shù)已進(jìn)入中試階段，計(jì)劃2026年在圣彼得堡建立首條示范產(chǎn)線。據(jù)測(cè)算，單條產(chǎn)線年產(chǎn)500噸磁體可滿(mǎn)足30萬(wàn)臺(tái)新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求。
該項(xiàng)目作為俄羅斯"Priority 2030"國(guó)家戰(zhàn)略重點(diǎn)支持的"未來(lái)材料"計(jì)劃核心成果，已獲得12項(xiàng)國(guó)際專(zhuān)利。參與企業(yè)評(píng)估顯示，全面替代稀土磁體后，全球永磁材料市場(chǎng)將迎來(lái)每年$150億的價(jià)值轉(zhuǎn)移。
劍橋大學(xué)材料系教授艾米麗·卡特評(píng)論稱(chēng)："這項(xiàng)突破標(biāo)志著陶瓷磁體正式進(jìn)入高性能應(yīng)用領(lǐng)域，為全球碳中和目標(biāo)提供了關(guān)鍵材料解決方案。"隨著德國(guó)博世、日本電產(chǎn)等跨國(guó)巨頭啟動(dòng)技術(shù)評(píng)估，一場(chǎng)席卷全球的磁體材料革命已拉開(kāi)帷幕。
參考來(lái)源：
[1]陳羽峰等.永磁鐵氧體材料發(fā)展現(xiàn)狀與研究進(jìn)展
[2]高尚.非稀土取代制備高性能鍶永磁鐵氧體材料
[3]羅曄.永磁材料的研究動(dòng)向和未來(lái)研究方向
[4]胡勝龍等.我國(guó)永磁材料行業(yè)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)
[5]粉體網(wǎng)，磁材寶等
（中國(guó)粉體網(wǎng)/山川）
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