探析钕铁硼永磁材料的应用发展.pdf

甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横2023 年（第 52 卷）第 3 期工业科技doi:10.3969/j.issn.1672-6375.2023.03.011收稿日期：2022-12-20作者简介：王方（1970-），女，大学本科，高级工程师，主要从事科技统计分析、编辑等方面工作。钕铁硼永磁材料是稀土永磁材料中目前应用范围最广、性价比最高、综合性能最优的磁性材料。钕铁硼永磁材料主要具有：（1）磁性强，是目前磁性仅次于绝对零度铁磁铁的永久磁铁，磁能积大于钐钴磁铁；（2）体积小、质量轻，由于其高强度磁性，在应用过程中仅需要较少的磁材就可以产生与大量其他材料相同的磁场，因此能够显著缩小产品体积，减轻产品质量；（3）稳定性强，使用效率高的性能优势。钕铁硼永磁材料根据生产工艺的不同分为烧结钕铁硼、粘接钕铁硼、热压钕铁硼。烧结钕铁硼产量占比最高基本保持在85%以上，处于市场主导地位。烧结钕铁硼根据材料内禀矫顽力等性能指标划分为 N、M、H、SH、UH、EH、TH 系列。N系列钕铁硼磁材的工作温度在80左右，超过该温度会出现大幅磁损失现象，严重影响产品性能。而高性能钕铁硼磁材的工作温度可达220，虽然与钐钴磁材在耐高温的性能上有一定差距，但综合生产成本和量产能力，钕铁硼磁材是较优选择。常见6种磁性材料主要性能数据见表1所列。1钕铁硼永磁材料的生产现状根据20152020年的数据，稀土永磁材料产量一直稳步递增，全球稀土永磁产量从150 000 t增至217 000 t。中国作为主要生产国，产量从135 000 t增长至196 000 t。从磁材类型来看，钐钴磁材的产量变化不大，2019年和2020年产量与之前相比略有下降。粘结钕铁硼磁材产量有所增加，2020年全球产量达到92 000 t，同比增长5.74%；同期中国产量为83 000 t，同比增长5.06%。烧结钕铁硼磁材产量占比最高，达到90%，其产量变化对稀土磁材总产量影响显著。2020年全球烧结钕铁硼磁材产量为206 000 t，同比增长8.67%；同期中国产量为186 000 t，同比增长9.12%。2021年我国烧结钕铁硼永磁材料为207 100 t，预计未来稀土永磁材料产能将继续保持增长态势。由于低端产品差异化小进入门槛低、受资金规模、探析钕铁硼永磁材料的应用发展王方（兰州市科技情报研究所，甘肃兰州730030）摘要：钕铁硼永磁材料具有高磁能积、高矫顽力、体积小、质量轻、稳定性强的特性，是目前应用范围最广、性价比最高、综合性能最优的磁性材料。烧结钕铁硼是产量最大、应用最广的稀土永磁材料。在“脱碳”背景下，钕铁硼永磁材料围绕新能源汽车、绿色交通、信息技术、清洁能源、节能家用电器等领域的发展前景广阔，我国企业应进一步加快高性能钕铁硼磁性材料的研发和生产，提高国际竞争力。关键词：钕铁硼；烧结；应用中图分类号：F416.32文献标志码：A表16种磁性材料主要参数磁体类型NdFeB(烧结)NdFeB(粘接)AlNiCoFerrite-sSmCo5Sm2Co17最大磁能积(BH)max/MGOe30523131.21.30.85.215242232剩磁(Br)/KGS1115.22.97.681424.48.510.51011.4矫顽力(Hcb)/kOe10142.55.90.481.951.84810910.6内禀矫顽力(Hcj)/kOe12308140.5224.515301530工作温度（WT）/80230100150450550250250250350居里温度（CT）/310350450760890450750800462023 年（第 52 卷）第 3 期甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横工业科技生产设备、工艺控制自动化程度等方面限制导致我国长期以中、低端产品为主，低端磁材供应过剩竞争非常激烈1。近年来随着中国生产企业技术的进步与向高端产品转型的政策鼓励，我国稀土行业结构转型稳步推进，2015年中国高性能钕铁硼磁材产量占钕铁硼磁材产量的15.6%，到2020年该比例达到24.3%。高性能钕铁硼磁材产量快速提升，2020年超过46 000 t，约占世界产量的70%。根据费若斯特莎莉文数据统计2020年全球高性能钕铁硼材料应用占比分布如图1所示。2 高性能钕铁硼磁材的需求行业 2.1 新能源汽车对高性能钕铁硼磁材的需求 随着全球能源紧缺、环境污染日益加剧，世界各国为应对气候变化、推动绿色发展的战略、节能减排大力发展新能源汽车成为应对的重要举措。新能源汽车为世界经济发展注入新的动能。2021年2030 年前碳达峰行动方案强调，到 2030 年，当年新增新能源、清洁能源动力的交通工具比例达到 40左右10 1。我国自 2010 年起通过连续多年实施新能源汽车产业化推广，大力扶持和政策补贴等措施使新能源汽车产业发展取得了巨大成就。近年来随着年轻人对环保意识的提高，城镇化程度的不断深入，新车销售市场，新能源汽车已占据重要位置因此国内新能源汽车已走上增长快车道，2022 年渗透率达到 20%。2022 年全球新能源汽车销量为 424 万辆，其中中国销售 251 万辆，占比超过一半，约为 59%；。驱动电机是新能源汽车的三大核心部件之一，高性能钕铁硼永磁材料应用于新能源汽车驱动电机，永磁同步电机在同体积和质量下与其他电机相比具有输出转矩更高、启动转矩更大、极限转速更高、制动性能更优、转矩脉动更小、功率密度更高等优点。新能源汽车正在成为提高高性能钕铁硼磁材需求量的核心驱动力。据中汽协预计到 2025 年时全球新能源汽车销量可以达到 2327.4 万辆，其中中国销量 1373.2 万辆，占比 59%。根据中国新能源汽车行业发展白皮书（2022 年）显示以平均每辆新能源汽车消耗 2.5kg 高性能钕铁硼磁材来计算到 2025 年全球高性能钕铁硼需求量可达到 5.8 万吨，中国的需求量有望达到 3.4 万吨。2.2 传统汽车 高性能钕铁硼磁材在传统汽车中的应用主要为电动助力转向系统(EPS),EPS 转向系统对车辆稳定性、舒适性和安全性都有关键作用。汽车助力转向系统基本可以分为三类，即机械式液压动力转向系统(HPS)、电子液压助力转向系统(EHPS）和电动助力转向系统。近年来 EPS 在我国乘用车市场渗透率迅速提升到 2020 年已经达到 90%以上，但商用车转向系统仍然以 HPS 和 EHPS 为主。HPS 和 EHPS 虽然成本较低，但是耗能大、容易受损，随着节能减排的要求，未来将逐渐被 EPS 所取代。欧美地区的汽车市场已经发展到成熟阶段，EPS 渗透率在 85%-90左右，因此未来国内汽车市场 EPS 渗透率还存在一定提升空间，从而带动高性能钕铁硼需求量增长。预计到 2025 年，中国汽车产量将以 4的年均复合增长率继续增长。按每台 EPS 系统需要 0.25kg 高性能钕铁硼磁材计算，到 2025 年时全球传统汽车领域对高性能钕铁硼需求量将超过 2.1 万吨。2.3 风力发电 风电是实现绿色低碳发展和生态文明建设目标的关键支撑之一。全球风能理事会(GWEC）数据显示，2021 年，全球新增陆上装机容量 72.1GW，新增海上风电装机容量 21.5GW。2020 年，400风力发电20%新能源汽车15%节能电梯15%变频空调14%工业机器人13%传统汽车13%消费电子产品5%其他5%2020年全球高性能钕铁硼材料下游应用分布图图12020年全球高性能钕铁硼材料应用分布图2 高性能钕铁硼磁材的应用行业2.1新能源汽车随着全球能源紧缺、环境污染日益加剧，世界各国为应对气候变化、节能减排推动绿色发展的战略、大力发展新能源汽车成为应对的重要举措。新能源汽车为世界经济发展注入新的动能。2021年 2030年前碳达峰行动方案 强调，到2030年，当年新增新能源、清洁能源动力的交通工具比例达到40%左右2。我国自2010年起通过连续多年实施新能源汽车产业化推广，大力扶持和政策补贴等措施使新能源汽车产业发展取得了巨大成就3。近年来随着年轻人对环保意识的提高，城镇化程度不断深入，新车销售市场中新能源汽车已占据重要位置因此国内新能源汽车已走上增长快车道，2021年我国新能源汽车产量和销量分别达到354万辆和352.1万辆。驱动电机是新能源汽车的三大核心部件之一，高性能钕铁硼永磁材料应用于新能源汽车驱动电机，永磁同步电机在同体积和质量下与其他电机相比具有输出转矩更高、启动转矩更大、极限转速更高、制动性能更优、转矩脉动更小、功率密度更高等优点。新能源汽车正在成为高性能钕铁硼磁材需求量的核心驱动力。据中汽协预计到2025年全球新能源汽车销量可以达到2327.4万辆，其中中国销量1373.2万辆，占比59%。根据 中国新能源汽车行业发展白皮书（2022年）显示以平均每辆新能源汽车消耗2.5 kg高性能钕铁硼磁材计算到2025年全球高性能钕铁硼需求量可达到58 000 t，中国的需求量将达到34 000 t。2.2 传统汽车高性能钕铁硼磁材在传统汽车中的应用主要为电动助力转向系统（EPS），EPS 转向系统对车辆稳定性、舒适性和安全性起关键作用。汽车助力转向系统基本可以分为三类，即机械式液压动力转向系统（HPS）、电子液压助力转向系统（EHPS）和电动助力转向系统。近年来 EPS 在我国乘用车市场渗透率迅速提升，2020年已经达到90%以上，但商用车转向系统仍然以 HPS 和EHPS 为主。HPS 和 EHPS 虽然成本较低，但是耗能大、容易受损，随着节能减排的要求，未来将逐渐被EPS 所取代。欧美地区的汽车市场已经发展到成熟阶段，EPS 渗透率在85%90%，因此未来国内汽车市场EPS 渗透率还有一定提升空间，从而带动高性能钕铁硼需求量的增长。预计到2025年，中国汽车产量将以4%的年均复合增长率继续增长。按每台 EPS 系统需要0.25 kg高性能钕铁硼磁材计算，到2025年全球传统汽车领域对高性能钕铁硼需求量将超过21 000 t。2.3风力发电风电是实现绿色低碳发展和生态文明建设目标的关键支撑之一。2020年，400余家风能企业代表在北京国际风能大会上联合发布 风能北京宣言，指出全球风能资源技术开发潜力约为当前全球电力需求的40倍，未来开发利用前景广阔。2021年我国风电发电装机突破3亿kW，风电装机容量稳居世界首位。综合考虑资源潜力、技术进步趋势、并网消纳条件等现实可行性之后，宣言 中计划每年新增装机5000万kW以上，2025年中国风电年均新增装机容量不低于6000万kW 5，到2030年至少达到8亿kW，2060年至少达到30亿kW。在装机容量快速提升的同时，风电发电量也稳步增加。2021年风电发电量达到6526亿kW/h，同比增长40.5%，占全社会用电量的7.9%，成为可再生能源中除水力发电之外最重要的电力来源。47甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横2023 年（第 52 卷）第 3 期国内风力发电机主要包括永磁直驱风机和双馈风机两种，直驱型永磁风力发电机采用永磁电机，相对于常规电机具有体积小、质量轻、精度高、稳定性强、效率高、能耗低等优势。风力发电系统中最重要的部件就是发电机，稀土永磁作为直驱永磁发电机的关键原材料，将在碳中和环境驱动需求不断提升。永磁风力发电机采取风机叶轮直接驱动发电机旋转，直驱永磁风力发电机对钕铁硼需求量很大，每 GW 装机需要消耗大约800 t高性能钕铁硼磁材。预计到2025年，永磁直驱机渗透率可增长至35%，以此计算全球风电装机对高性能钕铁硼磁材的需求量将超过30 000 t，其中约50%来源于中国。2.4变频空调空调分为定频和变频空调。变频空调是选用变频压缩机增加变频控制系统，相比于定频空调可节电30%左右，具有室温波动小、电能消耗少的优点。为促进节能减排，应对气候变化，在绿色高效制冷行动实施过程中，采用高性能烧结钕铁硼永磁材料的节能变频空调将更加普及，未来增长空间大。我国变频空调产销量稳步增长。2022年，中国节能变频空调产量达到1.3亿台，预计2025年中国变频空调产量将达到1.5亿台。以中国变频空调产量占全球比例为80%计算，预计对高性能钕铁硼磁材的需求量将超过38 700 t。2.5节能电梯电梯曳引机是电梯的动力设备，包括永磁电动机采用高性能永磁材料和特殊的电机结构，具有节能、环保、低速、大转矩等特性。在城镇化持续发展、基础设施投资建设和旧楼加装电梯等政策推动下，我国电梯呈持续性增长6，据中国电梯协会数据2016年到2021年电梯产量由63.8万台增加至154.5万台，年均复合增速为19%。预计到2025年，中国电梯产量将以10%的年均增长率持续增长。以每台节能电梯消耗6 kg高性能钕铁硼磁材计算，2025年全球和中国节能电梯需求量将达到17 000 t和12 000 t。2.6工业机器人及人形机器人机器人产业的发展状况是衡量一个国家科技创新和高端制造水平的重要标志，加快推动机器人产业高质量发展是为经济社会发展注入强劲动能。目前工业机器人主要指面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。工业机器人的核心部件是驱动电机，永磁同步伺服电机是主流。伺服电机、减速机、控制器、传感器是机器人的控制系统。高性能稀土永磁材料是伺服电机的关键材料，有助于在简化结构、减小体积、节约能量的同时，提高电机功率与稳定性。实现了体积小、重量轻、快速反应的特性。我国机器人产业规模快速增长，工业机器人越来越普及。2020年时机器人产业营业收入就已经突破1000亿元。中国工业机器人2021年产量达到36.6万台，同比增长54.4%;2022年达到40.4万台，较上年增长10.4%。人形机器人是一种具有类似于人类外形特征的机器人，不仅具有常规机器人所具备的运动能力，还有视觉、听觉和触觉，对反应速度和精度要求更高。人形机器人从概念的提出到现在已经过几十年的研发，但研制过程中始终受到技术限制，一直难以真正实现规模化生产和商业化。但在2022年始人形机器人又将引领该领域的热潮，其重要性甚至超过新能源汽车，也势必推动钕铁硼产业的发展。以特斯拉公司人形机器人（擎天柱）为例通过全身控制算法协调多个关节自由度，需40个电机，每个电机大小不同，需用高性能钕铁硼材料50100 g不等，取中值则1台人形机器人需要3 kg，随着技术成熟、量产后这一领域必将成为一大主力市场。2.7工业电机推进高效节能电机的替代将有力推动我国降低能耗、节约资源。工信部、市场监管总局于2021年 11月联合发布 电机能效提升计划（2021-2023年），鼓励使用以稀土永磁电机为代表的节能电机，扩大高效节能电机的绿色供给等，工业电机未来有望成为稀土永磁应用第二大领域。依据行业协会数据推算，到2025年永磁电机渗透率约为15%，按700 kg/MW 消耗计算，则需要高性能钕铁硼36 000 t。3结束语在全球减碳目标下新能源汽车、风力发电、工业机器人、节能电梯、节能空调等各个领域仍将持续高速发展，对高性能钕铁硼的需求量也将不断增长。我国企业应继续加大研发投入，着力开发高性能钕铁硼产品的配方工艺，根据行业及使用环境特点加强烧结钕铁硼产品的表面防护工艺研究。针对（下转第115页）工业科技482023 年（第 52 卷）第 3 期甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横清肝明目，疏风泻热的功效，针刺阳白穴治疗眼睑闭合不全效果显著 11。中医认为“初病在经，久病在络”，本病为络脉空虚，风寒之邪乘虚侵袭阳明、少阳脉络，以致经气阻滞，经脉失调所致；外关为手少阳经之络穴，又为八脉交会穴，通于阳维脉，会元针灸学 云：“外关者，阳经络脉，主阳经之阴，维于诸阳之会，关乎阳经，通阴达神经于外、而开阳经之关节”，甲乙经 又云：“虚则不收，取之所别；口僻禁外关主之”，外关、合谷二穴相辅相成，增加了疗效，足三里为足阳明胃经之合穴，和胃健脾，培补中气，配三阴交可益生化之源，以补“后天之本”；三阴交为足三阴之交会穴，具有滋阴健脾、补气益肾的作用，太溪为肾经输、原穴，属土，可滋阴益肾，二穴相配可补“先天之本”；太冲为足厥阴肝经原穴，可疏肝理气，清肝泄热，调补肝血。拔罐是通过罐体边缘及负压，牵拉浅层筋肉，达到刺激经络，调和气血之功，大椎刺络拔罐可以提高机体的免疫功能，隔姜灸以祛风散寒，温阳益气，穴位注射疗法既有针刺之机械刺激又有药物等化学性刺激的双重作用，可使药物直达病所，最大程度的发挥药物的疗效，调整机体的功能而达到治疗的目的，诸法相配，相互协同，不但能刺激神经组织，改善局部循环，还能借助良性刺激，活动瘫痪肌肉、起到被动功能锻炼和局部按摩的功效，促进神经炎性物质的吸收，缩短了疗程，提高了疗效。参考文献：1 吴玲.针灸为主治疗顽固性面瘫的疗效观察 C.2017年世界针灸学术大会暨2017年中国针灸学会年会论文集，北京.2017：543.2 孙国杰.针灸学 M.上海科学技术出版社，240.3 成靓，吴永刚.中医药治疗顽固性面瘫的研究近况 J.湖北中医药大学学报，2013，15（5）：74-76.4SALLOUM，CARRUTH，HILL，et al.Transitioning from agold weight to an“enhanced”pelpebral 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