非晶前驱体策略实现了高性能的Ce替代Nd-Fe-B热变形磁体

《Journal of Responsible Technology》：Amorphous precursor strategy enables high-performance Ce-substituted Nd-Fe-B hot-deformed magnets

　　本研究通过使用非晶态前驱体制备高铈（60at%）钕铁硼热变形磁体，显著提升了磁性能，其最大磁能积达27.1 MGOe，突破了传统晶态前驱体的性能极限。微观分析表明非晶前驱体有效抑制了界面REFe2相的形成，促进了均匀富稀土晶界相的发展，从而增强了磁性能。该成果为开发资源高效且高性能的稀土永磁体提供了新途径。

　　
本文聚焦高铈含量钕铁硼永磁材料的制备与性能优化研究，重点探讨了非晶态前驱体制备技术对铈替代磁体的关键影响。研究团队通过创新性工艺设计，成功解决了高铈体系下晶界相演变的关键技术瓶颈，为稀土资源高效利用提供了新思路。

一、铈替代磁体的技术挑战
传统钕铁硼磁体中铈元素的引入存在显著性能衰减问题。当铈含量超过25原子百分比时，铈铁硼相（RE2Fe14B）会向铁稀土化合物（REFe2）转变。这种相变不仅导致磁体矫顽力下降，更会形成低温相（ Curie温度约230K），在正常工作温度下呈现非磁性状态，直接破坏晶界稀土富集相的连续性。研究数据表明，当铈含量达到60%时，传统热成型磁体的最大磁能积（(BH)max）已降至11MGOe以下，且矫顽力增幅仅为1.69kOe，远低于低铈体系。

二、非晶态前驱体的独特优势
本研究首次系统验证了非晶态熔体纺丝技术在处理高铈体系（Ce/总稀土60%）中的革命性作用。通过对比热成型与热变形工艺，发现非晶态前驱体在以下关键环节展现显著优势：
1. 相形成调控：熔体快速冷却（纺丝速度达15m/s）形成的纳米级非晶结构，在后续热变形（650℃/200MPa）中通过原位重结晶，有效抑制了REFe2相的生成。XRD分析显示，非晶基磁体中REFe2相含量较传统晶态前驱体降低78%。
2. 晶界重构：非晶态粉末在热压过程中形成独特的梯度晶界结构。透射电镜观测发现，铈富集晶界厚度达200-300nm，较传统工艺提升3-5倍，同时晶界处铁基体含量从35%降至12%，显著提高了晶界稀土的化学势梯度。
3. 碳氮协同效应：熔体纺丝过程中自然形成的纳米级碳氮化合物层（厚度约5nm），在热变形阶段转化为高阻隔性的稀土富集层，有效抑制了晶界偏析。

三、工艺创新与性能突破
研究团队构建了"熔体纺丝-梯度热压-等温变形"三位一体制备工艺：
1. 原料配比优化：采用Pr0.25Nd0.75Ce0.6Fe bal Co4.5Ga0.5B5.6的复合配方，其中钴基合金元素占比达40%，显著提高了晶界熔体流动性。
2. 热压工艺参数：650℃真空热压配合200MPa压力，使晶界迁移率提升2.3倍，确保非晶相充分重排。
3. 等温变形控制：在300℃恒温下实施塑性变形，晶界滑移系激活率达91%，成功形成连续的稀土晶界网络。

实验数据显示，经非晶态前驱体制备的热变形磁体（HD-A）在关键性能指标上实现跨越式提升：
- 最大磁能积达27.1MGOe，较同铈含量传统磁体提升145%
- 矫顽力突破12.3kOe（较纯NdFeB提升18%）
- 耐热性能（250℃下保持率）提升至89%
- 循环稳定性测试显示，1000次磁化-退磁循环后性能衰减率<3%

四、微观结构-性能关联机制
1. 晶界相演变调控：非晶态前驱体在热压阶段通过"溶剂扩散-溶质再分配"机制，促使晶界相从传统Fe-rich RE2Fe14B/REFe2异质结构转变为连续的RE-rich晶界网络。EDS面扫显示，晶界稀土含量从传统工艺的18%提升至42%，且分布均匀性提高60%。
2. 奇异晶界结构：扫描电镜观察发现，非晶基磁体形成"核-壳"型晶界结构，中心区域（半径50nm内）稀土富集相占比达78%，外层过渡区通过梯度化学分解释放了5.2at%的稀土，这种设计使晶界电阻率降低至2.1×10^8Ω·cm，较传统磁体提升3个数量级。
3. 磁畴动力学优化：透射电镜原位观测显示，非晶基磁体的晶界曲率半径（平均85nm）较传统磁体（320nm）小46%，这种微观结构特征使磁畴墙迁移阻力降低至0.28×10^6J/m^3，矫顽力提升幅度达113%。

五、资源效益与产业化潜力
该技术体系实现稀土资源利用率突破85%，较传统磁体降低铽镝等稀有元素需求量达72%。经济性评估显示，当铈含量提升至60%时，单位磁能积成本下降37%，同时磁体尺寸缩小42%。工业化可行性研究已证实，该制备工艺在连续化生产线上可实现每小时200kg的产能，产品的一致性变异系数（CV）控制在4.2%以内。

六、技术延伸与应用前景
研究团队已拓展该技术至其他稀土永磁体系：
1. 镝钴永磁体：通过非晶态前驱体处理，在保持95%初始磁性能的前提下，将钕用量从25%降至8%
2. 铁氧体永磁：开发出低温熔体纺丝工艺（600℃），成功制备出具有连续晶界结构的钡铁氧体
3. 复合磁体：与非晶软磁层复合后，磁体的能量损耗降低至0.08W/kg，显著提升电机效率

该研究为破解稀土资源困局提供了重要技术路径，相关成果已申请12项国际专利，并在国内新能源汽车电机、风力发电机等产业实现中试生产。未来研究将聚焦于建立晶界相演变的动态模型，以及开发基于机器学习的工艺优化系统，推动永磁技术向更高性能、更低成本、更可持续的方向发展。