【原创】高性能稀土永磁新材料研究进展

冯海波

万人计划、钢铁研究总院有限公司功能材料研究院副院长、教授级高级工程师/博士生导师、钢研-中国科学院宁波材料所稀土永磁联合创新中心副主任

下面由我介绍下《高性能稀土永磁新材料研究进展》，这个报告本来是李卫院士做，因为他有工信部的会议所以委托我来介绍下相关情况。主要介绍下材料的现状和技术的发展趋势，国内外的形势情况，主要是永磁材料的进展和产业的现状。

稀土材料主要指化学周期表中镧系元素和钪、钇共十七种金属元素的总称，由于这几个元素具有独特的4F亚层，而且它的原子磁矩、丰富的跃迁能级.，具有主族和过渡金属元素不可替代的磁、光、电功能性质稀土功能材料是我国最具有资源特色的关键战略材料之一。

其中稀土永磁是第一大应用领域，是支撑新一代信息技术、航空航天与现代武器装备、先进轨道交通、节能与新能源汽车等高技术领域的核心材料。

其实稀土并不是特别稀少，中国储量4400万吨，这是美国地调局的数据，实际上中国稀土含量远远不止于此，而且俄罗斯、澳大利亚、美国都有更多的稀土矿，但中国的稀土矿是得天独厚的优势，北方包头的稀土矿是世界第一大轻稀土矿，南方的离子矿是世界罕见的中重稀土，探明储能160万吨，中重稀土的储量占全世界80%以上，稀土永磁行业也是值得我们自豪的行业。

稀土永磁是1967年发展起来的，当时第一代稀土永磁只有18个兆高奥左右，第二代稀土永磁在10年后1977年达到30兆高奥左右，现在我们用的最多的是第三代的稀土永磁它达到59-60兆高奥的水平，它的性能远远高于前两代材料，也是目前应用最广的永磁材料。最新发展的新型铈磁体是个新型的材料具有比较高的性价比，目前的发展也比较迅速，也占整个稀土永磁1/3左右的水平。

稀土永磁实际是一个比较小的行业，总体上烧结钕铁硼加稀土循环利用产量大概26.7万吨，整个产值910亿元左右，但这整个占全球供应链的85%，粘接磁体大概是1万1千吨，去年2023年占全球78%，烧结钐钴3700吨占全球80%以上，只有在热压纳米晶磁体这，日本大同每年800吨产量，中国国内大概是300吨的产量水平。

可以看到稀土永磁材料钕铁硼增长从2000年开始，中国就超越了日本成为世界第一大永磁生产国，随着快速发展这二十来年中国已经拉开了比较大的差距，日本的增长比较少，基本上二十年平均以每年10%的速度在增长。

可以看到右图是钕铁硼需求增长情况，其中很大一块包括未来对2030年的预测，在电动汽车这块将是钕铁硼行业增长的巨大市场需求，也决定了钕铁硼行业未来发展能有多大规模的增长。现在中国是名副其实稀土永磁的第一大国。

我们做永磁材料一直追求更高的性能，这样意味着更高的转化率和更低的能源消耗，也是我们做钕磁材料竞争的制高点。我们可以看到右侧是十二五、十三五、十四五每年都在逐步提高，十四五做的规划是到80，实际上我们基本能做到85以上。

这块钕铁硼的制备技术，剩磁高性能这已经接近99%左右，这块提升的空间很小，提高矫顽力这块，增强磁体温度稳定性上做的工作比较多，而且也是现在技术发展的重点。一种是日本人比较推崇的无重稀土磁体，希望摆脱对中国稀土的依赖，这主要通过晶粒细化技术实现，现在用的也比较多。另外就是这几年发展起来的晶界扩散技术，使重稀土的用量大幅度降低。

晶界扩散技术主要还是通过重稀土的扩散，扩散到晶界内部形成核-壳结构，来强化磁体获得高的矫顽率，同时可以添加一些铝铜低温点的合金增加它的性能，现在做的磁体达到86以上，包括55、55兆高以上磁体，这几年已经有了明显的进步。

涉及到这块大家关心的是降低磁体，晶界扩散技术可以使钕铁硼传统方法降低至少50%以上的稀土用量，随着多元扩散的技术，达到同样性能的基础上又能使重稀土的用量降低70%以上，再乘以0.3，这样这个技术使我们重稀土的用量显著降低，这样的话对我们电动汽车用的磁体成本的降低非常有好处。

最近还在做的技术就是选区扩散技术，扩散还是基于均一的磁体，我们应用时它磁体退磁的时候有一定的区域并不是全部退磁，现在只是把容易退磁的地方进行强化，通过这个扩散技术选区扩散，只在某些区域进行强化，达到使用要求。

但这个技术的实施需要材料的制备人员和电机的设备人员共同配合把这个成本降低，按照我们的设计要求，提前设计好通过晶界扩散的方式，把相应的区域进行强化，这样的话整个磁体制备成本包括污染会降低比较大的规模。

钐磁体这块300℃以上是现在永磁材料唯一的侯选材料，这个主要是军工用得比较多。另外它的高工作温度是500度，现在有一些空间推行器、离子发动机用的材料。低温度系数还是高精度的仪器仪表，我们电机这块还是用的高磁能积的材料，我们到2025年达到35MGOe，未来能突破36MGOe、37MGOe的水平。钐钴这块是更高的一个磁能积，还有就是客观强度、使用温度、温度系数几个研究内容。

目前，国外的日本的新月、美国的EC公司、德国的巴克做得比较好。这几年我们国内在北航、钢铁总院的推动下，我们开有绵阳九所，我们共同做钐钴的开发。我们批量制备的产品这几年有一个显著的提升。我们钢铁研究用总做的，在高性能方面我们日本、美国处在一个水平，而且我们现在做钐钴磁体的水平、性能基本上接近了生产标准上限的水平，国内钐钴的生产水平也在逐渐提高。

我还有一个进展是氢能源用的耐氢钐磁体的开发，这主要是为了氢能源应用需求，同时具有耐高温、耐氢的能力，能够满足200摄氏度、0.5兆帕氢气压力下满足稳定工作1000小时。我们针对这个开发了耐氢钐钴的钐钴磁钢。结合耐氢复合图腾的制备，我们已经通过了500个小时和1000小时的抗氢测试，有的厂家已经在使用了。

铈磁体这块也是近几年发展起来的，铝磁体是60万元一吨，铈2—3万元一吨，是这几年发展出来的低成本磁体。对于国家来讲，铈的含量在稀土中分布最高、量最大的，积压最多的，用起来之后能力节约土铝，降低整个稀土资源的消耗，这几年发展也比较快。

第一阶段覆盖了N—H排号的磁体，第二阶段通过晶界扩散技术的发展，基本上能够覆盖UH的水平。还有一个特点，它的性能，它可以从10个层级到52个MGOe，从1个KOE到25个的KOE范围内进行定制化的设计。宁波赋能公司也在做，我们合作最大的一个铈磁体的生产厂家，他们开发的含量到16.5的46SH产品开发，这也在驱动电机上进行装机实验。38UH更高的产品也在批量研发，实现小批量的供货。

调磁电机的低矫顽力铈磁体，我们跟哈工大的郑教授做了一些探索。调磁电机一般是由高矫顽力磁体和低矫顽力磁体匹配使用。原来低矫顽力磁体选择的铝镍钴和铁氧体，铝镍钴的价格并不便宜，铁氧体虽然很便宜，但是性能比较低，对于铈磁体来说，通过对铈含量的调整，可以调整矫顽力包括铈磁，我们可以根据调磁电机设计的需要，按照需要设计磁体，而且铈磁体的剩磁比铝镍钴高30—50%的水平。我估计铝镍钴铈磁体的性价比高于铝镍钴是没有问题的。这样就有希望在降低成本的时候同时能够大幅度提升调磁电机的性能。尤其前面的实验也表明，中低转速区和高转速区的铁损、铜损能有效降低，这也是初步实验。

铈磁体现在已经用在风力发电，甘肃风厂的一个风力发电2022年已经并网运行。这是江西“兴国号”此磁悬浮列车也用了铈磁体。我们当时在做铈磁体驱动电机的研究，短短五六年的时间，大家可到电动汽车、电动自行车所有使用的都是38M的铈磁体。

热压纳米晶磁体，国内还是做磁环，突破传统的形状限制。主要还是本田和大同合作开发（2018年），合作开发无稀土的永磁电机，用的就是热压磁体。提出来可以达到无重稀土永磁体降低10%，重量减轻8%，整个性能也比较好。目前国内宁波材料所、晶体公司、成果银行在这方面都取得了突破，不单能做环、做片状磁体、瓦状磁体都可以。而且国内性能提升也比较大，达到55MGOe的水平，基本上是国际领先的水平，而且确实热压磁体耐腐蚀性、稳定性优于烧结磁体。

另外，我们通过在变形的过程中控制取向，做成类似多结构环的结构，这样能够使整体环磁矩在拼接的基础上再提高30%以上，这也是发展趋势，整体环的发展性能有明显的提升。这是做人工心脏当中小型的装机实验。

全球的竞争情况，2023年世界的稀土开采量是35万吨，中国是24万吨，不到70%。中国目前是世界最大的稀土生产国，中国在采选冶方面是世界遥遥领先。在资源优势、产业优势上非常突出。我们的缺点是在精深加工、高端产品开发方面。国外从贸易战以来，美国还是以举国体制和全球阵营，要摆脱对中国稀土、产品的依赖，并且不断增加打压的力度。美国一方面在积极重建自己的稀土产业链，另一方面采用一些非市场化的手段要求这钕铁硼厂要在海外设厂，否则不能成为供应商。这对于新加入的厂家来说设置成为必要条件。

2000年以前美国只保留了钐钴的生产厂（EC公司），所有的钕铁硼都是从中国市场采购，贸易战以后美国发展自己的产业链，首先是MP Materials公司最开始就进行产业链的恢复，这个公司主要是在美国矿的基础上生产稀土氧化物，最终要建设一条1500吨左右的钕铁硼生产线。这对于国内来讲只是一个小厂的水平，预计2025年年底可能产出钕铁硼，所以他们的建设速度比较慢。

另外，美国的Rare Earth购买了一些永磁的制造设备，具备了2000吨/年的生产水平。德国VAC也在做烧结钕铁硼工厂的生产。同时配合产业链重建，美国、加拿大、欧盟大幅上涨了对中国汽车的关税。2026年1月1日起，美国将对从中国的永磁材料征收25%的关税。

另一方面国内钕铁硼厂大规模的扩建方兴未艾，四川巨星号召建了一个十万吨的钕铁硼项目2022年已经开始启动，现在已经具备了1万吨的生产能力，广东晟源、正海、金龙稀土也都有万吨级项目的上马。

虽然整个市场不太景气今年2023年整个钕铁硼业大多数处于亏损或者微利的状态，我们相信未来在不久的将来2025年底有很多出现2万吨甚至更大规模的生产企业。国内钕铁硼企业规模也在逐渐扩大，目前产能达到60万吨左右的水平。

最后介绍下稀土资源的潜力。

2023年中国稀土科技奖是为数不多的特等奖授予了《白云鄂博稀土富集机理及资源潜力》项目，这个项目通俗讲解决了稀土矿白云鄂博的“灵魂三问”稀土从哪来？产在哪？量有多少？确定了它的来源，是13亿年超大陆裂解引发的慢源火成碳酸盐。

通过这个研究也表明，虽然全世界都有但能有这么得天独厚配分这么高的稀土含量，确实与各种各样的机遇相关，是不可复制的。另外稀土碳酸盐的三维分布，推算矿区1000米以浅稀土潜在资源为3.33亿吨(中重稀土660万吨)。这个数量是目前白云鄂博公布储量的9倍以上，也是目前全球探明储量1.2亿吨的2.8倍，也颠覆了对稀土和稀土资源的认识。

包括国内国外也有担忧稀土到底够不够用，从稀土人的角度来看，稀土完全能满足未来几十年内电动汽车、永磁电机的发展。

最后，2024年中国稀土产业的产能已经达到60万吨的水平，而且我们高端产品在逐渐增加，相信我们可以有效的支撑新能源汽车，工业电机和人形机器人等方面的发展。另外面对现在的形势，稀土永磁行业还是要面临全球市场，提供全世界最好的产品和最好的服务，要保持我们的优势地位。

我们的稀土资源确实得天独厚，潜力巨大，要保持战略定力，发挥资源优势，打造稀土永磁产业链及应用链，力争在新能源汽车驱动电机、高效永磁电机等重点应用领域逐步建立技术和产业优势，提供材料保障。

谢谢大家！

欢迎加入新能源汽车产业交流群  

关注公众号后台回复关键词“社群”

即可获取入群方式