SmF₃/NdF₃复合夹层钕铁硼磁体结构和性能研究

Structural and Functional Analysis of NdFeB Magnets with SmF₃/NdF₃ Composite Sandwich Layers

摘要: 为了满足钕铁硼磁体在高温下运作的需求，减少磁体产生的涡流损耗，本文以夹层的方式制备了高电阻率的SmF₃/NdF₃复合钕铁硼磁体，探究了SmF₃/NdF₃复合粉添加量和比例对于钕铁硼磁体的电阻率、磁性能及力学性能的影响。研究表明，当SmF₃/NdF₃比例为3:1时，随着添加量的增加，磁体夹层的厚度提高，电阻率增大，磁能积和抗弯强度呈现下降趋势。当单位面积添加量达到6.52 × 10⁻⁴ g/mm²时，磁体电阻率增大到6.12 mΩ·cm，较未夹层的钕铁硼磁体电阻率146 μΩ·cm提高了一个数量级，但是磁体的最大磁能积和抗弯强度分别下降到39.61 MGOe/164 MPa；当保持夹层添加量不变，随着复合夹层中SmF₃占比减小，夹层粉体逸散现象减弱，磁体的电阻率增大，当复合夹层SmF₃/NdF₃比例为1:5时电阻率最高，为24.3 mΩ·cm；当复合夹层SmF₃/NdF₃比例为1:1时，磁体的磁能积最高为43.91 MGOe，复合SmF₃/NdF₃的比例对磁体的抗弯强度影响并不相同，当复合夹层SmF₃/NdF₃比例为3:1时抗弯强度提高到了270 MPa，较无夹层钕铁硼磁体抗弯强度254 MPa提高了6%。

Abstract: To meet the operational requirements of NdFeB magnets under high-temperature conditions and mitigate eddy current losses, this study fabricates high-resistivity SmF₃/NdF₃ composite NdFeB magnets via a laminated structure. The effects of SmF₃/NdF₃ composite powder contents and stoichiometric ratios on resistivity, magnetic properties, and mechanical performance were systematically investigated. Results demonstrate that at a SmF₃/NdF₃ ratio of 3:1, increasing additive contents enhances interlayer thickness and resistivity of the magnets, reaching 6.12 mΩ·cm when the additive content achieves 6.52 × 10⁻⁴ g/mm². While the magnetic energy product (BH)_max was reduced to 39.61 MGOe and flexural strength to 164 MPa. Notably, the achieved resistivity of 6.12 mΩ·cm represents a one-order-of-magnitude improvement compared to non-laminated NdFeB magnets, which exhibit a resistivity of 146 μΩ·cm. Under constant interlayer additive content, the reduction of SmF₃ proportion in the composite interlayer mitigates powder dispersion phenomena and enhances interlayer density, leading to increased resistivity. The resistivity reaches its maximum value of 24.3 mΩ·cm at a SmF₃/NdF₃ ratio of 1:5. The magnetic energy product peaks at 43.91 MGOe for a 1:1 SmF₃/NdF₃ ratio. The influence of SmF₃/NdF₃ ratios on flexural strength exhibits distinct trends, with the SmF₃/NdF₃ ratio of 3:1 demonstrating optimal mechanical performance. Specifically, the flexural strength increases to 270 MPa at a 3:1 ratio, representing a 6% enhancement compared to non-laminated NdFeB magnets (254 MPa).

1. 引言

钕铁硼作为第三代稀土永磁材料，具有优异的磁性能，通常被应用于各种设备包括电机、发电机和医疗器械中。在这些设备运行过程中，钕铁硼磁体会因其较低的居里温度，当电机工作温度过高时会导致磁体的磁性能尤其是矫顽力大大降低[1]-[3]。解决该问题的常用方法是使用重稀土如Dy或Tb取代钕铁硼磁体中的Nd，从而增强磁体的矫顽力[4] [5]。另外提高电阻率也是一种方法[6]-[8]，磁体升温的原因主要是由于低电阻率会产生较大的涡流损耗，进而通过焦耳热提高磁体的温度，所以当电阻率提高时就会起到抑制磁体升温的作用。

为了提高钕铁硼磁体的电阻率，本文选择以夹层的方式[9] [10]，通过在热压磁体间添加一层氟化物复合粉体进行热变形从而制备出高电阻率钕铁硼磁体，探究氟化物复合粉体不同添加量和不同比例对于钕铁硼磁体的微观组织、磁性能、电阻率以及力学性能的影响。为开发针对与高工作温度相关的问题的有效技术提供思路，从而减少使用稀缺昂贵的HRE来提高矫顽力的做法。

2. 实验

本实验所用磁粉为商业快淬磁粉，其成分为(Nd_29.1Pr_0.2Fe_63.66Co_5.5Ga_0.5Dy_0.01B_0.87)，商业化SmF₃和NdF₃粉体，纯度为99.99%。

实验首先需要称取20 g钕铁硼快淬磁粉制备热压磁体，在真空环境500℃~600℃下进行热压实验，压力约370 MPa下热压一分钟获得热压磁体，将制备好的热压磁体沿垂直于后续热变形压力水平切开获得两个小毛坯，将切开的毛坯表面进行打磨超声去除表面杂质，然后称取适量的SmF₃和NdF₃粉体放于研钵中进行手动混粉，在混合好的粉体表面滴几滴丙酮使其润湿，利用药品勺将润湿后的复合粉置于切开的毛坯表层，轻微按压使得复合粉使其能够水平均匀的覆盖在毛坯层表面，最后将两个毛坯重新组合好放于热变形模具中，在氩气环境800℃~900℃温度下，约100 MPa压力下进行热变形，变形时间为80 s，制备出具有一层水平致密绝缘层的热变形钕铁硼磁体。在本工作中，热压磁体的直径和高度分别为13 mm、20 mm，制备的热变形磁体的直径和高度分别为25 mm、6 mm，变形量约为70%。

使用线切割机于中心处切割出φ6 mm × 5 mm的试样，使用四探针电阻率测试仪对试样进行电阻率测试，后使用PM-1脉冲充磁机进行充磁，采用NIM-6200C永磁精密测试仪进行磁性能测试。重新制备样品使用电火花线切割机从热变形磁铁上切下矩形条测试抗弯强度，长度为19 mm，宽度为6 mm，高度为5 mm，试样的抗弯强度在MTS880-25T万能试验机上采用三点弯曲试验进行测定。实验使用Olympus全自动金相显微分析系统对热变形钕铁硼夹层磁体样品进行微观形貌分析。

3. 结果与讨论

3.1. SmF₃/NdF₃复合夹层(3:1比例)不同含量对钕铁硼磁体的影响

本研究通过复合粉体夹层工艺制备了钕铁硼(NdFeB)永磁体，其夹层结构由质量比为3:1的SmF₃/NdF₃复合氟化物构成。为系统研究夹层特性影响，实验根据不同添加含量设置了四个梯度化的面密度参数，分别为0.815、1.63、3.26和6.52 × 10⁻⁴ g/mm²，该参数序列按单位面积涂覆量由低到高依次递增，覆盖了从基准值到四倍基准值的剂量范围。

Table 1. Interlayer thickness and resistivity of magnetic materials with varying content levels at a SmF₃/NdF₃ composite powder ratio of 3:1

表1. SmF₃/NdF₃复合粉体比例为3:1时不同含量磁体的夹层厚度和电阻率

复合粉体含量10^−^4 (g/mm^2)	0.815 (a)	1.63 (b)	3.26 (c)	6.52 (d)
夹层厚度范围(μm)	16.98~37.35	35.80~54.32	54.94~87.65	42.33~75.33
夹层平均厚度(μm)	29.20	46.33	74.32	63.00
电阻率(mΩ·cm)	1.86	3.83	5.39	6.12

表1为SmF₃/NdF₃复合粉体比例为3:1时不同含量磁体的夹层厚度和电阻率，从表中可以了解到随着夹层添加含量的提高，磁体电阻率呈现持续上升趋势。当添加含量达到6.52 × 10⁻⁴ g/mm²时，磁体获得最大电阻率6.12 mΩ·cm，较添加含量为0.815 × 10⁻⁴ g/mm²的磁体提升229%。另外，夹层厚度虽总体与添加含量呈正相关，但在复合粉体添加含量为3.26 × 10⁻⁴ g/mm²时出现异常，该样品夹层平均厚度达74.32 μm，反而高于添加含量为3.26 × 10⁻⁴ g/mm²样品夹层的平均厚度。经分析，此现象是由于夹层水平方向的不均匀分布，当一侧厚度增加时必然伴随另一侧厚度的缩减，这种“此消彼长”效应导致平均厚度出现波动。在制备过程中，虽然添加了丙酮并按压以保证复合粉体的水平致密，但是在热变形过程中钕铁硼磁体升温变形也会对其存在一定的影响。

特别需要指出的是，尽管添加含量为3.26 × 10⁻⁴ g/mm²组的平均厚度优于6.52 × 10⁻⁴ g/mm²组，但其电阻率(5.39 mΩ·cm)仍低于后者。这表明复合粉体添加含量才是决定电阻率的关键因素，而夹层厚度对电阻率的贡献居于次要地位。

Figure 1. Olympus images of interlayer magnets with varying content levels at a SmF₃/NdF₃ composite powder ratio of 3:1; (a) 0.815 × 10⁻⁴ g/mm²; (b) 1.63 × 10⁻⁴ g/mm²; (c) 3.26 × 10⁻⁴ g/mm²; (d) 6.52 × 10⁻⁴ g/mm²

图1. SmF₃/NdF₃复合粉体比例为3:1时不同含量的磁体夹层面Olympus图；(a) 0.815 × 10⁻⁴ g/mm²；(b) 1.63 × 10⁻⁴ g/mm²；(c) 3.26 × 10⁻⁴ g/mm²；(d) 6.52 × 10⁻⁴ g/mm²

图1所示为SmF₃/NdF₃复合粉体比例为3:1添加含量梯度变化的热变形夹层磁体显微结构(压力方向切面)。图1(a)显微分析表明：灰白色钕铁硼主相基体中分布着NdF₃复合粉体夹层，平均厚度为29.2 μm。

该夹层主体呈连续性颜色为黑色，局部存在暗红色区域，边缘呈现非平整界面并伴有粉体逸散现象，部分复合粉体扩散至钕铁硼晶界，其中黑色区域应该为NdF₃粉体富集区，其Nd元素与富钕相相互作用，强化磁体结合强度；暗红色区域应该为SmF₃相，除夹层间外还分布在夹层边缘区域，因SmF₃相在热变形过程中会优先发生表面扩散，因其热力学稳定性较低，另外还有较高的扩散系数导致。随着添加含量从0.815 × 10⁻⁴ g/mm²增加到6.52 × 10⁻⁴ g/mm²，夹层边缘逸散面积扩大，暗红色区域占比也增加。

Figure 2. Magnetic hysteresis curves of interlayer magnets with varying content levels at a SmF₃/NdF₃ ratio of 3:1

图2. SmF₃/NdF₃比例为3:1时不同含量的夹层磁体的磁性能曲线

图2为添加SmF₃和NdF₃复合粉体比例为3:1不同添加含量的热变形钕铁硼磁体的磁性能图。根据数据图可以看出，随着添加含量的提高，磁体的矫顽力H_cj基本保持稳定，在添加含量为0.815 × 10⁻⁴ g/mm²、1.63 × 10⁻⁴ g/mm²和6.52 × 10⁻⁴ g/mm²时保持在9.5 kOe左右，但是异常的是在添加含量为3.26 × 10⁻⁴ g/mm²时，矫顽力略微提高到了10.57 kOe，提高了1 kOe左右，其原因归结于Sm离子导致的晶界钉扎效应，形成了局部各向异性场。

磁体的剩磁B_r随着添加含量的增加略微提高而后大幅下降，在添加含量为0.815 × 10⁻⁴ g/mm²时，磁体的剩磁B_r为13.65 kGs，当添加含量提高到1.63 × 10⁻⁴ g/mm²时，磁体的剩磁B_r提高到了13.84 kGs，提高了0.19 kGs，而后大幅下降到13.1 kGs左右，下降了4.03%。

最大磁能积(BH)_max的变化趋势与剩磁B_r相似，在添加含量为1.63 × 10⁻⁴ g/mm²时最大磁能积(BH)_max达到最高为45.07 MGOe，而后随着添加含量的增加持续下降，在添加量为6.52 × 10⁻⁴ g/mm²时下降到了最低为39.61 MGOe，整体下降了8.14%。

总体来说，SmF₃/NdF₃复合粉体添加含量的提高对磁体有较大的影响，是由于引入的氟化层会形成层压，同时会有较多的SmF₃粉体逸散和扩散到钕铁硼主相中，影响磁体的基本相从而降低磁体的磁性能。

Figure 3. Flexural strength plots of laminated magnets with SmF₃/NdF₃ composite powder at a 3:1 ratio under varying additive contents

图3. SmF₃/NdF₃复合粉体比例为3:1时不同含量的夹层磁体的抗弯强度图

氟化层的引入相当于引入了一层脆性层，虽然磁体在打磨抛光测试性能过程中并没有因此发生断裂，但是对于磁体的力学性能还是存在一定的影响，所以本实验探究了夹层对磁体抗弯强度的影响。

图3为夹层SmF₃/NdF₃复合粉体比例为3:1不同添加含量的抗弯强度图，由图中可知，纯粉磁体的抗弯强度为254 MPa，添加含量从0增加到1.63 × 10⁻⁴ g/mm²时，磁体的抗弯强度随着添加含量的增加略微下降，在添加含量为3.26 × 10⁻⁴ g/mm²时，磁体的抗弯强度反而升高达到了270 MPa，原因应与该添加含量下矫顽力提高的原因相同，由于晶界钉扎效应提升了磁体的抗弯强度，当添加含量提高到6.52 × 10⁻⁴ g/mm²时，抗弯强度骤降到最低为164 MPa，下降了33.1 %，总体来说，磁体的抗弯强度随着添加含量的增加而下降。

3.2. SmF₃/NdF₃复合夹层不同比例对钕铁硼磁体的影响

本节实验已经探究了SmF₃/NdF₃复合粉体比例为3:1下不同梯度添加含量对于磁体的电阻率、磁性能和力学性能的影响，为了更加深入的探究复合粉体夹层对于钕铁硼磁体的影响，将选择探究在同一添加含量下不同比例的复合粉体夹层对钕铁硼磁体的影响，经过以上分析，发现在添加含量为3.26 × 10⁻⁴ g/mm²时磁体的磁性能、电阻率以及抗弯强度都较为优异，所以本节选择继续添加SmF₃/NdF₃复合粉体添加含量为3.26 × 10⁻⁴ g/mm²时不同比例对于磁体的影响。

Table 2. Interlayer thickness and resistivity of laminated magnets with varying SmF₃/NdF₃ composite powder ratios

表2. SmF₃/NdF₃复合粉体不同比例磁体的夹层厚度及电阻率

SmF3/NdF3粉体比例	1:5 (a)	1:3 (b)	1:1 (c)	3:1 (d)
夹层厚度范围(μm)	39.26~71.47	55.00~68.67	54.63~66.98	54.94~87.65
夹层平均厚度(μm)	54.63	63.03	59.48	74.32
电阻率(mΩ·cm)	24.3	7.6	6.43	5.39

Figure 4. Olympus micrographs of magnet interlayers with SmF₃/NdF₃ composite powder at varying ratios under a fixed content of 3.26 × 10⁻⁴ g/mm²; (a) 1:5; (b) 1:3; (c) 1:1; (d) 3:1

图4. SmF₃/NdF₃复合粉体含量为3.26 × 10⁻⁴ g/mm²时不同比例的磁体夹层面Olympus图；(a) 1:5；(b) 1:3；(c) 1:1；(d) 3:1

表2给出了SmF₃/NdF₃复合粉体相同添加含量时不同比例下磁体夹层的厚度范围以及平均厚度，可以从表中了解到除了SmF₃/NdF₃复合粉体的比例为3:1的磁体夹层厚度偏高，其余比例下的磁体夹层平均厚度在60 ± 5 μm范围，说明SmF₃和NdF₃复合粉体添加含量相同的情况下，夹层厚度并无太大差距。

不同复合粉体比例的夹层磁体的电阻率随着SmF₃粉体的占比提高而降低，SmF₃粉体的占比由低到高为1:5、1:3、1:1、3:1，比例为3:1时电阻率最低为5.39 mΩ·cm，比例为1:5时最高，为24.3 mΩ·cm，说明SmF₃粉体占比的提高对于磁体的电阻率并无益处。

图4所示为SmF₃/NdF₃复合粉体添加含量为3.26 × 10⁻⁴ g/mm²时不同比例的热变形夹层磁体显微结构(压力方向切面)，从图中可以看出，随着SmF₃粉体的占比提高，由图(a)~(d)，磁体夹层区域中暗红色更加明显，夹层边缘与钕铁硼主相间结合的更加紧密，另外夹层边缘区域的逸散更加严重，比例为1:5时如图(a)，夹层边缘区域几乎没有逸散现象，而当比例为3:1时如图(d)，逸散现象十分明显，同样这也是导致电阻率下降的原因，虽然夹层的厚度相差不大，但是随着粉体逸散到钕铁硼主相间就会导致夹层密度下降，对于电流的阻碍就会降低，电阻率就会降低。

Figure 5. Magnetic property curves of laminated magnets with SmF₃/NdF₃ mixed powder at varying ratios under a fixed content of 3.26 × 10⁻⁴ g/mm²

图5. SmF₃/NdF₃混合粉体添加含量为3.26 × 10⁻⁴ g/mm²时不同比例的夹层磁体磁性能曲线

图5为SmF₃/NdF₃复合粉体(添加含量为3.26 × 10⁻⁴ g/mm²)不同比例的热变形夹层磁体磁性能曲线，由图中可以看出，添加含量相同比例不同的SmF₃/NdF₃复合粉体所制备出的磁体性能都较优异，磁体的最大磁能积(BH)_max都在40 MGOe往上，复合粉体比例的改变对于磁体的最大磁能积(BH)_max的影响并不大，SmF₃粉体占比的提高至比例为1:1时磁体的最大磁能积(BH)_max达到最高，为43.91 MGOe，当SmF₃粉体占比提高到3:1时就导致磁体的最大磁能积下降，说明SmF₃粉体占比过高时大量粉体逸散到主相间影响磁体的性能，比例为1:1时最合适。

磁体的矫顽力H_cj整体呈现升高的趋势，从而可以看出当复合粉体中SmF₃粉体占比越高，对磁体的矫顽力越有益，矫顽力H_cj最高达到了10.57 kOe，磁体的剩磁B_r并没有显著的提高或降低，基本保持在13~14 kGs范围内，在复合粉体比例为1:1时最高，剩磁B_r达到了13.66 kGs。

Figure 6. Flexural strength of laminated magnets with SmF₃/NdF₃ composite powder at varying ratios under a fixed content of 3.26 × 10⁻⁴ g/mm²

图6. SmF₃和NdF₃复合粉体添加含量为3.26 × 10⁻⁴ g/mm²时不同比例的磁体抗弯强度

图6添加SmF₃和NdF₃复合粉体添加含量为3.26×10⁻⁴ g/mm²时不同比例的热变形夹层磁体的抗弯强度，从图中看出，同等添加含量的情况下，不同比例的SmF₃/NdF₃复合粉体制备的夹层磁体的抗弯强度受到的影响并不相同，只有SmF₃/NdF₃复合粉体比例为3:1时磁体的抗弯强度提高，其余比例下磁体的抗弯强度都受到了较大的影响。该原因与不同比例下的复合粉体夹层和主相的界面结合有关，结合图4，添加复合粉体比例为1:5和1:3时，夹层与钕铁硼主相间并没有紧密结合，其间存在空隙，当SmF₃粉体占比提高到1:1和3:1时夹层和钕铁硼主相结合十分紧密，这也是导致磁体抗弯强度变化的原因，所以当复合粉体比例为3:1时磁体的抗弯强度结合最好，抗弯强度达到最高为270 MPa，但是复合粉体比例为1:1时，如图4(c)虽然也结合较好，但是其抗弯强度还是大幅下降，说明SmF₃粉体占比仍然较低不足以形成有效的强化。其中SmF₃粉体比例为1:3时磁体的抗弯强度受到的影响最大，降到最低为128 MPa。

4. 总结

本研究采用热压热变形工艺成功制备了复合夹层钕铁硼磁体，系统研究了SmF₃/NdF₃复合夹层对磁体磁性能、电阻率及力学性能的影响机制，主要结论如下：

(1) 当SmF₃/NdF₃复合粉体比例为1:3时，磁体电阻率随添加含量的提高呈单调上升趋势，添加含量为6.52 × 10⁻⁴ g/mm²时达到6.12 mΩ·cm，较无夹层钕铁硼磁体提升了一个数量级。然而，过量添加导致复合粉体逸散到钕铁硼主相间，导致磁体的磁能积大幅下降，同添加含量下，磁体的最大磁能积BH_max降到了最低为39.61 MGOe，同时磁体抗弯强度也显著降低，从254 MPa至164 MPa，相较于无夹层的钕铁硼磁体降低了35.4%。

(2) 在3.26 × 10⁻⁴ g/mm²的固定添加量下，SmF₃/NdF₃复合粉体不同比例下，SmF₃粉体占比越高矫顽力越高，SmF₃占比增加至3:1时，矫顽力提升至10.57 kOe，较1:5比例组提高24.7%，但是也会导致电阻率越低，在SmF₃/NdF₃复合粉体比例为1:5时电阻率最高为24.3 mΩ·cm。当比例为1:1时，磁体的最大磁能积(BH)_max和剩磁最高，最大磁能积(BH)_max为43.91 MGOe，剩磁B_r为13.66 kGs。另外磁体的抗弯强度方面，SmF₃/NdF₃比例为1:5、1:3、1:1时，磁体的抗弯强度都大幅下降，只有比例为3:1时，抗弯强度提高达到270 MPa。

NOTES

^*通讯作者。