【原】华南理工刘仲武《JMCC》：一种提高重稀土晶界扩散效率的策略！

钕铁硼稀土永磁被广泛应用于可再生能源等战略新兴领域中。为满足高温环境下的应用要求，通常采用加入重稀土Tb或Dy提高磁体矫顽力。而重稀土丰度低，价格极其昂贵，所以如何提高重稀土的利用效率是目前研究的热点。晶界扩散技术首先在磁体表面包覆重稀土金属、化合物或合金等扩散剂，再经扩散热处理将重稀土元素渗透进入磁体内部。这种工艺着重强化薄弱的晶粒表面，从而达到了重稀土减量化的效果。其发展至今已成为钕铁硼永磁体工业生产中不可或缺的一环。目前的研究大多集中在优化扩散源成分、改善热处理工艺上，而很少有人探究磁体化学成分对重稀土扩散效率的影响。

华南理工大学刘仲武教授研究团队与江西金力永磁科技股份有限公司合作，利用实验结合热力学计算的方法，对比重稀土在两种典型的烧结磁体基材中的扩散行为以及性能提高规律，提出了一种通过合理选择钕铁硼基材提高重稀土晶界扩散效率的策略。作者团队阐明了磁体基体中的化学成分对原始磁体组织的影响及其对重稀土扩散效率的影响，为合理利用战略稀土资源提供了理论依据。相关研究成果以“Rationally selecting chemical composition of Nd-Fe-B magnet for high-efficiency grain boundary diffusion of heavy rareearths”为题发表在《Journal of Materials Chemistry C》上。其中华南理工大学博士生何家毅为第一作者，硕士生俞志高为共同第一作者，刘仲武教授为通讯作者。

论文链接：

https://pubs./en/content/articlelanding/2022/tc/d1tc05469d

Pr与Nd在自然界中常以伴生形式存在，其2:14:1型化合物Pr2Fe14B与Nd2Fe14B具有相近的内禀磁性能。为缩短元素分离流程、降低生产成本，大量Pr-Nd合金被直接用于生产钕铁硼磁体中。钕铁硼磁体中重稀土元素的晶界扩散效率与原始磁体的化学成分、组织结构密切相关。这对于开发高矫顽力、低成本的磁体具有重要意义，但目前对这一问题的关注较少。

针对这一问题，本研究比较了重稀土在镨钕铁硼和钕铁硼基烧结磁体中的扩散行为。经晶界扩散处理后，镨钕铁硼和钕铁硼磁体矫顽力分别从1324和1269提高到1837和1952 kA/m，增幅分别为39%与54%（图1）。这主要是由于Tb在钕铁硼磁体中渗透深度更深所致。由于Pr比Nd更活泼，在粉末冶金过程中，镨钕铁硼磁体中容易引入氧，晶界处存在大量的稀土氧化物（图2）。难熔氧化物阻塞了富Tb液相的通道，导致Tb在扩散表面聚集（图3）。

此外，热力学计算结果表明，Tb和Dy倾向于与三角晶界区域存在的(Pr,Nd)2O3发生反应，造成了重稀土在晶界处不必要的消耗，不利于重稀土资源的有效利用。因此，低氧浓度的钕铁硼磁体是晶界扩散较为理想的原始磁体。当然，对于牌号较低的磁体，直接使用Pr-Nd合金制备的镨钕铁硼不失为一种性价比更高的方式（图4）。本工作的发现为行业选择晶界扩散的原始磁体提供了合理的方案，并为Tb、Dy、Pr和Nd这些战略性稀土元素的合理利用指明了方向。

图1：(a)内禀矫顽力和(b)方形度与保温时间的关系。(c) 镨钕铁硼和钕铁硼磁体及经晶界扩散处理（900℃/6 h-500℃/3）磁体的退磁曲线

 

图2：(a,b)镨钕铁硼和钕铁硼原始磁体的XRD谱图。(c) 镨钕铁硼和(d)钕铁硼原始磁体的背散射SEM图像。

图3：(a)元素扩散深度的数据采集示意图，(b) 镨钕铁硼和钕铁硼磁体中Tb的扩散深度。Tb、O和Cu在(c) 镨钕铁硼和(d) 钕铁硼扩散磁体中的EPMA元素分布图。

图4：烧结钕铁硼产品的磁性能及其应用。

课题组介绍

刘仲武教授领衔的华南理工大学先进金属与电磁材料研究团队是华南地区主要的传统磁性材料研究团队。现有教授3名、副教授2名、兼职（客座）教授2名，在读硕博研究生40多名。团队主要从事稀土永磁材料、软磁材料与器件、磁致冷材料、磁性吸波材料和电磁设计等方面的应用基础研究与应用研究，同时开展金属材料及功能器件的失效分析等方面的社会服务。团队旨在服务广东经济和国家重大需求。近五年承担国家和省部级研究项目20余项，包括国家重点研发、GF973、国家自然科学基金以及广东省、广州市科技计划等，承担企业委托项目20多项。在国际、国内著名刊物上发表相关学术论文近200篇，授权专利30余项，并实现了多项科技成果转化。获广东省科技三等奖一项。针对稀土永磁材料，团队目前致力于开发高性价比的高丰度稀土永磁合金与磁体、热加工钕铁硼磁体、晶界调控高性能烧结钕铁硼磁体。

团队主页：http://www2./ammm/

（文：俞志高、刘仲武）