釹鐵硼的使用壽命—永磁體的長時間穩定性

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永磁材料性能的穩定性是永磁材料的重要指標,穩定性主要指磁體充磁后,內外因的影響下其磁性能改變的過程,常用性能指標的變化率來表示。常見的引起磁性能變化的原因有溫度、時間、電磁場、輻射、機械振動與沖擊等,上期懂磁帝已經為大家介紹了永磁材料的溫度穩定性(剩磁溫度系數、矯頑力溫度系數、可逆溫度系數,點擊了解詳情),這一期我們來了解一下永磁材料的時間穩定性。

磁體長時間工作或長時間放置,周邊環境(如溫度、濕度、腐蝕性液體等)可能導致磁體物理及化學性質改變。永磁體充磁后絕大部分區域被磁化至特定方向,但還有一些小磁疇的磁化方向是混亂的(稱為反磁化核),在各種環境因素作用下,原有的反磁化核會長大,新的反磁化核會產生,這使得永磁體的磁性能發生衰減。這種改變一般是由表及里的緩慢而不可恢復的變化,直接影響磁體的主要性能參數剩磁、內稟矯頑力、矯頑力或最大磁能積,甚至導致磁體完全失效。這種磁性能損失是不可恢復的,即使磁體再充磁,也不能恢復到長時間放置前的水平。近幾年,隨著釹鐵硼永磁材料在航天航空、電動汽車、大功率風力發電等使用壽命要求較長的領域內的廣泛應用,應用設計人員對釹鐵硼永磁體的時間穩定性越來越重視。

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室溫下的長時間穩定性

芬蘭學者在2013年發布的一項研究結果顯示,在室溫環境下放置1年(10000h)的燒結釹鐵硼磁體(HcJ=15.6kOe),不同Pc值的樣品(Pc=-0.33,-1.1,-3.3)均沒有任何可察覺的磁化損失。而三環研究院也進行了類似的測量研究,歷時長達12年多(4441天),實驗用的燒結釹鐵硼磁體內稟矯頑力HcJ=18kOe,樣品為邊長10.2mm的無鍍層立方體,磁導系數Pc=-2(點擊磁矩、磁通與剩磁了解什么是Pc),樣品數量為8件,直接暴露在實驗室所處的大氣環境中,溫度在22℃~28℃之間,12年內每年進行一次觀察和測量。


胡伯平,饒曉雷,王亦忠. 稀土永磁材料(上冊)[M]. 北京:冶金工業出版社,2017.289-290

從以上數據中可以發現,前6年所測量到的相對磁通損失基本不大,在2208天(約6年)附近出現拐點。從外觀看,放置6年后的黑片磁體表面可見銹斑,這意味著磁體表面及內部已經開始氧化腐蝕,隨著時間的推移,其氧化或腐蝕范圍會不斷地擴大,性能衰減的速率也明顯加快。此外,該實驗還將磁通損失從目前已測量的4441天(12年零2個月)外推到30-50年,30年預計磁通損失不足1%,50年的磁通損失約1.3%,2%對應的時間大約為150年。(上圖空心圓點)

圖片來源于網絡

這個結果表明,如果將磁體的使用壽命定義為磁通損失率等于5%所對應的時間的話,即使磁體處于表面未做耐腐蝕涂覆,目前被測量的燒結釹鐵硼磁體仍有非常長的壽命,保守估計也在30-50年。

通常,較大的磁通損失來源于磁體表面的氧化或腐蝕,是不可恢復的損失,在各類稀土永磁材料中,燒結釹鐵硼的這種損失是最嚴重的,但是經過成分優化和表面防護處理,燒結釹鐵硼磁體的抗氧化性和耐腐蝕性已經得到了極大的改善。因此,在磁體表面被很好地保護的情況下,對于有足夠高HcJ的燒結釹鐵硼來說,使用壽命完全可以超過30年-50年。(這是在不超過使用溫度的情況下哦~)
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高溫下的長時間穩定性
下圖是不同Pc值、HcJ=20.1 kOe的磁體在80℃、120℃和150℃的相對磁通損失隨時間的變化。
點擊圖片可查看大圖

從上圖中不難發現,相同Pc值下,磁體存放溫度越高,相對磁通損失下降速度越快。Pc絕對值較低的磁體初始磁化損失和長時間磁化損失都明顯大于Pc較高的磁體,且溫度升高兩類損失都大幅增長,在因技術和成本原因不能進一步提升HcJ的情況下,將Pc絕對值提高可以有效抑制磁化損失。

點擊圖片可查看大圖

從不同HcJ、不同Pc磁體在不同溫度下的相對磁化損失的時間關系中可以看出,HcJ對高溫磁化損失有重要影響,HcJ越高磁化損失越低,高溫穩定性要求磁體必須具有較高的HcJ。與此同時磁導系數Pc也能決定磁體的高溫長時間磁化損失。


以上是懂磁帝整合并總結相關書籍、學術論文、網絡資源等各類資料后,對永磁體長時間穩定性的介紹,如有不妥的地方歡迎大家指正。


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