(资料图)

钕铁硼永磁因其优异的磁性能而被广泛应用于新能源汽车电机和风力发电机当中，这些应用要求磁体在150℃以上的温度运作。电机的转速和功率不断提升对永磁材料的热稳定性也提出了更高的要求。目前，提升钕铁硼永磁的热稳定性主要有两个方法：首先，在钕铁硼磁体中引入昂贵的重稀土Tb和Dy，提高磁体的矫顽力和高温稳定性。其次，电机高速运行过程中，变频供电产生的不同形式的谐波在永磁体内产生涡流损耗是永磁体快速升温的主要原因，可见提升磁体的电阻率亦可有效降低温升。因此，如果能同步提升钕铁硼磁体的矫顽力和电阻，将进一步推动其在高功率电机中的应用。

杭州电子科技大学张雪峰教授团队赵利忠研究员联合华南理工大学刘仲武教授团队在前期工作(Adv.Funct.Mater.32(2022):2109529)中提出了一种多稀土协同晶界扩散的方法，利用稀土元素在晶界扩散过程中迁移趋势不同的特点，在TbCu扩散剂中引入了丰量稀土La、Ce，并利用其协同作用大幅提升了Tb元素的扩散深度并助推其进入主相形成更均匀的核壳结构，在降低扩散剂成本的同时提升磁性能。

基于这一扩散原理，近期他们在TbAlCu扩散剂中引入了取代能较高的稀土Pr。发现Pr元素在扩散过程中偏聚于晶界并有助于提升Tb元素的扩散效率，采用Tb35Pr35Al10Cu20扩散后磁体矫顽力提升了816kA/m，远高于Tb70Al10Cu20的621kA/m。同时由于稀土Pr与O原子具有较好的化学亲和性，Pr的扩散导致晶界中形成了大量电阻率较高的氧化物，磁体的电阻率提升至2.6×10-6Ωm，高于Tb70Al10Cu20的1.72×10-6Ωm，成功通过晶界扩散工艺实现了磁体矫顽力和电阻同步提升。进一步通过有限元分析方法建立了永磁电机的三维模型，在6000转/min的工况下模拟发现：PrTbAlCu扩散磁体相比于TbAlCu扩散磁体的涡流损耗降低32.2%；同时，当电机工作温度从20℃上升至120℃时，装配PrTbAlCu扩散磁体电机的输出功率和扭矩分别只降低了11.0%和9.2%，大幅提升了高功率电机中磁体的热稳定性，并为晶界扩散剂的设计提供了一种新的思路。相关研究成果以“Simultaneous enhancement of coercivity and electric resistivity of Nd-Fe-B magnets by Pr-Tb-Al-Cu synergistic grain boundary diffusion toward high-temperature motor rotors”为题发表在《Journal of Materials Science&Technology》上。其中杭州电子科技大学赵利忠研究员为通讯作者，华南理工大学何家毅博士和胡锦文为共同第一作者，杭州电子科技大学贾镐阳、刘孝莲副研究员、张振华副研究员、文林和张雪峰教授以及华南理工大学周帮、钟喜春教授、余红雅副教授和刘仲武教授也参与了该工作。