钕铁硼磁铁 是目前普通大众能够接触到的最强磁体。其磁能比普通铁氧体磁体高出约18倍（体积），12倍（质量）。通用汽车和住友特殊金属于1984年独立开发了这种强大的钕磁铁。这些磁铁卓越的磁性能已经改变了许多行业。
按销量计算，钕铁硼磁体占据了永磁体市场的 60%。它们是世界上最强的永磁材料。四方 Nd2Fe14B 晶体结构通过高单轴磁晶各向异性赋予了它们非凡的强度。世界上最强的磁体具有多种优势——结构紧凑、重量轻、体积小、能量密度高。这些磁体在干燥条件下能够无限期地保持其性能而不会腐蚀。然而，它们需要保护，免受过热、辐射和强外部磁场的影响。硬盘驱动器、核磁共振机器、风力涡轮发电机和电动汽车电机都依赖钕磁铁作为关键部件。
在本文中，我们将探索钕铁硼作为全球最强磁体背后的科学原理。我们将探讨其原子结构、物理特性以及粉末冶金和金属注射成型等制造工艺。此外，我们还将探讨其应用及其对全球供应链的影响。
内容
隐藏
1
钕铁硼磁力背后的原子结构
1.1
Nd2Fe14B四方晶体结构
1.2
单轴磁晶各向异性（HA ≈ 7 T）
1.3
高饱和磁化强度（Js ≈ 1.6 T）
1.4
钕中未配对电子的作用
2
决定强度的磁性和物理特性
2.1
烧结 NdFeB 剩磁：1.3 T
2.2
矫顽力和磁能积（BHmax ≈ 512 kJ/m³）
2.3
与钐钴和铁氧体磁铁的比较
2.4
居里温度范围：310–400°C
2.5
机械强度和脆性
3
钕铁硼制造：从粉末冶金到PIM
3.1
烧结与粘结 NdFeB 磁体工艺
3.2
粉末冶金：带坯连铸和喷射铣削
3.3
PIM工艺：混合、成型、脱脂、烧结
3.4
污染控制：氧气和碳的减少
3.5
PIM 对复杂几何形状的优势
4
利用最强永磁体的应用
4.1
电动汽车和风力涡轮机中的电动机
4.2
硬盘驱动器和移动设备
4.3
医疗器械：MRI 和抗反流系统
4.4
磁力轴承和联轴器
4.5
军事系统：F-35、潜艇、驱逐舰
5
全球供应链及其战略影响
5.1
中国占钕铁硼产量的85%以上
5.2
稀土出口管制
5.3
美国和欧盟的产业政策回应
5.4
回收计划：HyProMag 和 SUSMAGPRO
6
结语
7
关键精华
8
常见问题
钕铁硼磁力背后的原子结构
钕铁硼磁体卓越的磁力源于其原子结构。原子的排列方式赋予了它其他永磁体无法比拟的磁性。
Nd2Fe14B四方晶体结构
钕磁铁的基本构造块是 Nd2Fe14B 四方晶体结构。这种原子排列在每个晶胞中包含 68 个原子——8 个钕原子、56 个铁原子和 4 个硼原子。该四方结构的晶格常数为 a = 8.80 Å 和 c = 12.20 Å，从而形成八层结构。每个钕原子和硼原子分别与 z = 0 和 z = 1/2 处的 4 个铁原子以镜像方式连接。其余铁原子在这些平面之间形成六边形网格。
这种晶体结构与其他磁性材料不同。它由铁、钕和硼原子片层构成，原子片层之间由六边形铁网构成。铁-铁原子之间的间距小于铁-钕原子之间的间距。这种独特的间距和排列方式赋予了它卓越的磁性。该结构还与六边形CaCu5型结构相呼应，而这种结构是许多稀土-过渡金属化合物的基础。
单轴磁晶各向异性（HA ≈ 7 T）
钕铁硼的磁性优势源于其较高的单轴磁晶各向异性，约为7特斯拉。该晶体优先沿特定晶轴（c轴）磁化，并抵抗其他方向的磁化。这意味着，一旦沿其优先轴磁化，该材料将具有很强的抗退磁能力。
实验测量清楚地表明了这种方向性。低于 1 MA/m 的磁场足以使 Nd2Fe14B 单晶沿其 c 轴磁化。然而，垂直于 c 轴（沿难磁化轴）的磁化则需要高达 7 MA/m 的磁场。在 粉末冶金或金属注射成型工艺制造商将微晶颗粒排列在强磁场中，使其磁轴指向同一方向。这种排列方式可以最大限度地提高磁体的整体强度。
高饱和磁化强度（Js ≈ 1.6 T）
Nd2Fe14B 化合物的饱和磁化强度约为 1.6 特斯拉 (16 kG)，远高于其他永磁材料。这代表了该材料可能达到的最大磁感应强度。移除外部磁场后，剩余磁化强度通常达到 1.3 特斯拉。这些磁体无需外部电源即可保持强磁场。
最大能量密度与饱和磁化强度 (Js²) 的平方有关。这使得钕铁硼能够储存巨大的磁能——约为 512 kJ/m³ 或 64 MGOe。如此高的能量密度使钕铁硼成为目前最强的磁体材料。当应用需要以最小的体积获得最大的磁力时，它就显得尤为重要。
钕中未配对电子的作用
钕的电子排布决定了钕铁硼在亚原子层面的磁强度。钕的电子排布为[Xe] 4f⁴ 6s²，其4f亚壳层部分填充。这使得钕原子具有较大的磁偶极矩，因为它们的结构中有4个未配对电子。而铁的平均未配对电子数仅为3个。
磁场来自自旋方向一致的未配对电子。钕的额外未配对电子提高了 Nd2Fe14B 化合物的整体磁矩。粉末冶金工艺（例如带坯连铸和喷射研磨）或金属注射成型技术可在成品磁体中保留这些原子级特性。
这些排列整齐的未配对电子的稳定性决定了磁体抵抗退磁的能力。钕铁硼磁体通过铁磁性维持磁场。原子的未配对电子会产生微小的磁矩，这些磁矩一旦在制造过程中排列整齐，便会长期保持稳定。只有极端条件才能破坏这种排列。
决定强度的磁性和物理特性
钕铁硼磁体可测量的磁性和物理特性使其成为世界上最强的永磁材料。这些特性决定了它们的强度，并决定了它们在不同应用中的性能。
烧结 NdFeB 剩磁：1.3 T
烧结钕铁硼磁体表现出显著的剩磁强度 (Br)，约为 1.3 特斯拉。这个数值告诉我们外部磁化场消失后磁感应强度的剩余量。该值接近材料的理论最大值，证明了其卓越的制造质量。制造商可以通过以下方式最大限度地提高剩磁强度： 粉末冶金工艺 例如带坯连铸和气流磨等技术，它们可以帮助颗粒更好地排列。科学家们一直在寻找在不损失其他特性的情况下提升剩磁的方法。例如，在生产过程中，将磁粉压制在9T超导螺线管中，磁化强度提高了8%。
矫顽力和磁能积（BHmax ≈ 512 kJ/m³）
N50 型磁体的抗退磁能力（矫顽力）约为 1.2 特斯拉。这仅相当于各向异性磁场（7.5 特斯拉）的 15%，但仍优于其他永磁材料。其最大磁能积 (BHmax) 约为 512 kJ/m³ (64 MGOe)。这使得 NdFeB 磁体的强度比普通铁氧体磁体的体积强度高出 18 倍。
添加某些元素可以使这些性能更加优异。用镝替代部分钕，可将矫顽力提升至约3.0特斯拉。镓等元素则有助于烧结后退火过程中晶间相的形成，从而提高矫顽力。
与钐钴和铁氧体磁铁的比较
钕铁硼永磁体以其卓越的性能脱颖而出。这些磁体的磁能积高达 400 kJ/m³（50 MGOe）。这意义重大，因为这意味着它们的性能优于钐钴磁体（160-240 kJ/m³ 或 20-30 MGOe）和铁氧体磁体（约 32-59 kJ/m³）。
钐钴磁体耐高温性能更好，抗腐蚀性能也更强，但成本更高。铁氧体磁体抗腐蚀性能好，价格便宜，但磁强度最低。这种差异对于通过粉末注射成型或烧结工艺制造的紧凑型高性能组件来说尤为重要。
居里温度范围：310–400°C
钕铁硼磁体的居里温度（即失去磁性的温度）通常在310°C至400°C之间。钐钴磁体（700-800°C）和铁氧体磁体（450-550°C）的居里温度均高于钕铁硼磁体，这是钕铁硼磁体为数不多的弱点之一。
高温会给钕铁硼磁体带来问题。电动汽车发动机的运行温度约为160°C，此时矫顽力会急剧下降至0.2特斯拉左右。如今，制造商通过添加铽和镝等元素来制造更高级、耐热性更强的磁体。
机械强度和脆性
钕铁硼磁体优异的磁性能也伴随着一个缺陷——易碎。这类磁体强度高，但韧性低。它们在弹性变形过程中断裂，几乎不会先发生塑性变形。硼原子之间的共价键是晶体结构脆性的原因。
高速旋转、振动或冲击会对这些磁体的机械脆弱性造成挑战。高速旋转机械磁体必须承受巨大的离心力（3g 至 5g）和振动。制造商在通过粉末冶金或注塑工艺设计组件时需要考虑这些限制。
钕铁硼制造：从粉末冶金到PIM
制造世界上最强的磁体需要特殊的工艺，以在生产过程中保持其卓越的磁性能。目前有两种不同的方法。每种方法都针对不同的应用提供独特的优势。
烧结与粘结 NdFeB 磁体工艺
烧结钕铁硼磁铁 粉末冶金技术占据了90%的磁体生产，并具有卓越的磁强度。粘结钕铁硼磁体将磁粉与聚合物粘合剂相结合，从而形成复杂的形状，但磁性能较低。这些磁体的磁通密度通常低于10 MGOe，而烧结磁体的磁通密度则超过50 MGOe。制造商必须在磁强度、尺寸精度和生产复杂性之间进行权衡。
粉末冶金：带坯连铸和喷射铣削
最强永磁体的生产始于带坯连铸，通过快速凝固形成薄合金片（200-400μm）。氢爆使材料变脆，然后通过气流粉碎将颗粒粉碎至最佳尺寸（2-5μm）。粉末流动性在此阶段起着至关重要的作用。较大的颗粒（6.2μm）比较小的颗粒（2.8μm）排列更均匀，因为它们可以减少磁聚集。
PIM工艺：混合、成型、脱脂、烧结
粉末注射成型 (PIM) 是一种替代的制造方法，包含四个关键步骤。首先，制造商将钕铁硼粉末与聚合物粘合剂混合，制成原料。然后，通过注射成型工艺，将混合物制成具有复杂几何形状的“生坯”部件。下一步是通过脱脂去除有机成分。最后，在 1050-1150°C 下进行烧结，使材料致密化。该方法可实现高达 99.5% 的理论密度。
污染控制：氧气和碳的减少
钕铁硼粉末的自燃特性使得污染控制至关重要。加工后的磁体含氧量在0.4-0.6 wt%之间，但氧含量的轻微增加会显著降低磁性能。聚合物粘合剂中的碳污染也会对性能产生类似的影响。碳含量范围为560-730 ppm，具体取决于粘合剂的含量。精心选择脱脂参数和专业的粉末涂料有助于制造商控制这些污染物。
PIM 对复杂几何形状的优势
PIM 技术为复杂形状的钕铁硼磁体制造带来了显著优势。这种净成形工艺减少了昂贵的机械加工，同时减少了浪费和材料消耗。传统的烧结工艺只能生产出需要进一步加工的基本形状。而 PIM 只需一次生产即可制造出复杂、小巧且精密的组件。对于微型设备而言，这种工艺至关重要，因为在这些设备中，最强的磁体必须精确地嵌入到限定的空间中。
利用最强永磁体的应用
钕铁硼磁铁具有卓越的强度，可以为无数尺寸与功率比至关重要的实际应用提供动力。
电动汽车和风力涡轮机中的电动机
交通运输部门严重依赖这些最强大的永磁体来实现高效推进。 电动车 使用钕铁硼磁体实现高扭矩重量比，并提高能源效率。粉末冶金制造有助于制造磁性排列的部件，以实现最佳电机性能。这些磁体的特性显著提升了风力涡轮机的性能——它们能够以更少的原材料产生更大的电力，并在整个运行过程中保持强大的磁力。
硬盘驱动器和移动设备
钕铁硼磁体通过微型化彻底改变了消费电子产品。硬盘驱动器使用这些磁体来精确定位读/写磁头。这些磁体为智能手机和平板电脑中的扬声器、麦克风和振动马达供电，同时保持设备纤薄。其回收潜力巨大——截至2016年，欧盟市场已积累了约14,300吨来自报废电子产品的钕。
医疗器械：MRI 和抗反流系统
钕铁硼磁体在医疗保健领域发挥着至关重要的作用。许多“开放式”MRI 机器使用钕磁体来产生强大的诊断成像场。除了成像之外，这些磁体还为创新的手术工具（包括磁性括约肌装置）提供动力。LINX 系统通过强化下食管括约肌来治疗胃食管反流病。
磁性轴承 和联轴器
钕铁硼磁体使工业磁力轴承成为可能，即使在极高的速度下也能实现极低的摩擦和无机械磨损的运动。烧结钕铁硼粉末制成的磁力联轴器可实现非接触式扭矩传输，从而保持系统密封。这一特性在防止交叉污染至关重要的场合至关重要。这些系统在从制药厂到工业熔炉等各种环境中都能有效运行。
军事系统：F-35、潜艇、驱逐舰
军事应用需要最强的磁体来支持关键任务系统。每架F-35战斗机都包含超过900磅（约440公斤）的稀土元素，其中大部分用于钕铁硼磁体，为制导系统、雷达阵列和飞行控制系统提供动力。弗吉尼亚级潜艇需要约9,200磅（约4.9吨）的稀土元素，而阿利·伯克级驱逐舰则需要约5,200磅（约2.2吨）。钕铁硼磁体使小型电子设备成为可能，并为这些平台上的先进武器瞄准系统和电力推进组件提供动力。
全球供应链及其战略影响
全球最强磁体面临着影响全球主要经济体的供应链风险和战略障碍。
中国占钕铁硼产量的85%以上
中国引领全球钕铁硼磁体行业。2023年，中国钕铁硼磁体产量约为240,000万吨，占全球供应量的85-90%。中国掌控着整个价值链，控制着58%的稀土矿开采、89%的氧化物分离和90%的金属化。最重要的区别在于高性能生产。只有4%的中国制造商能够生产高性能烧结钕铁硼磁体，而这些制造商占全球高性能磁体产量的48%。其余的高性能磁体则由日本和德国生产。日本日立金属公司拥有大多数先进烧结钕铁硼生产专利。
稀土出口管制
中国当局于2023年增加了新的出口管制措施，涉及七种稀土元素，包括镝和铽——它们是高性能钕铁硼磁体的关键成分。根据规定，运输含有这些元素的磁体只需要特殊的出口许可证。 中国供应商 在运输覆盖磁铁（尤其是军用磁铁）之前，必须获得政府出口许可证。原材料供应中断使中国境外的粉末冶金和注塑成型设施面临风险。
美国和欧盟的产业政策回应
美国75%的烧结钕铁硼磁体来自中国。美国国防部通过MP Materials和Lynas USA等公司支持国内生产，以减少这种依赖。美国的产能仍然远远不够。MP Materials计划到2025年生产1,000吨钕铁硼磁体，不到中国产量的1%。到2026年，美国国内产能可能将满足高达51%的美国需求。
回收计划：HyProMag 和 SUSMAGPRO
回收利用提供了一个颇具前景的替代供应来源。HyProMag 采用氢处理磁体废料 (HPMS) 技术从废旧产品中提取钕铁硼粉末。该工艺在室温和大气压下进行，可生产用于新磁体的高纯度钕铁硼粉末。SUSMAGPRO 项目汇集了 19 个欧洲组织，旨在为汽车系统、水泵和音响扬声器打造回收路线。目前，回收利用仅占稀土磁体产量的 1%。
结语
钕铁硼磁体是磁性材料中的佼佼者，其非凡的强度革新了无数行业。这些磁体的卓越性能源于其独特的Nd2Fe14B四方晶体结构和约7特斯拉的优异单轴磁晶各向异性。这些原子级特性使钕铁硼磁体的能量密度达到约512 kJ/m³——这意义非凡，因为这意味着它们的性能远超所有其他永磁材料。
制造工艺是最大限度地发挥这些固有特性的关键环节。粉末冶金技术，尤其是带坯连铸和喷射研磨技术，能够制造出具有卓越磁强度的烧结钕铁硼磁体。粉末注射成型 (PIM) 技术为制造商提供了更大的灵活性，使其能够生产形状复杂的组件，而不会损失磁性能。PIM 最适合制造微型设备中的复杂部件，但制造商在加工过程中需要注意氧气和碳的污染。
这些强大的磁体在关键领域不断找到新的用途。电动汽车、风力涡轮机、医学成像设备和先进的军事系统都依赖于钕铁硼无与伦比的功率尺寸比。尽管如此，供应链问题也带来了真正的挑战。中国控制着全球约85-90%的产量，这给其他国家带来了战略上的脆弱性。美国和欧盟已经启动了各种项目，通过投资和研究来提升国内生产能力。
回收利用是解决供应问题的另一种方案。HyProMag 和 SUSMAGPRO 等项目展示了从报废产品中回收宝贵磁性材料的实用方法。虽然目前回收利用仅占总产量的 1%，但这些举措可以大幅减少对主要来源的依赖。
钕铁硼磁体无疑将继续保持全球商用磁体的最强地位。未来的发展将侧重于通过改进粉末冶金工艺来提高温度稳定性和制造效率。构建更可持续的供应链仍然是当务之急。这些卓越磁体背后的科学原理持续推动着各行各业的尖端发展，表明有时最强大的力量来自令人惊奇的微小体积。
关键精华
了解钕铁硼磁体背后的科学原理，就能揭示为什么它们作为世界上最强的永磁体在现代技术和全球供应链中占据主导地位。
• 由于其独特的 Nd2Fe14B 晶体结构和 7 特斯拉单轴磁晶各向异性，NdFeB 磁体的强度比铁氧体磁体高 18 倍。
• 通过粉末冶金和 PIM 工艺制造可实现 512 kJ/m³ 的能量密度，从而实现电动汽车和电子产品的紧凑、高性能应用。
• 中国控制着全球 85-90% 的钕铁硼产量，这造成了战略脆弱性，从而推动了美国和欧盟对国内产能的投资。
• 关键应用包括电动汽车、风力涡轮机、核磁共振机器和军事系统（如 F-35 喷气式飞机），需要超过 900 磅的稀土材料。
• HyProMag 等回收计划可以减少对供应链的依赖，尽管目前仅占全球磁铁产量的 1%。
卓越的磁性能、先进的制造技术以及地缘政治供应挑战，使得钕铁硼磁体不仅成为现代科技不可或缺的材料，也对国家安全具有战略意义。随着清洁能源和国防领域需求的增长，发展可持续的生产和回收能力对于实现技术独立至关重要。
常见问题
Q1. 为什么钕铁硼是世界上最强的磁铁？ 钕铁硼磁体卓越的强度源于其独特的Nd2Fe14B四方晶体结构和较高的单轴磁晶各向异性。这使得它们的能量密度高达约512 kJ/m³，远超所有其他永磁材料。
Q2. 钕铁硼磁铁与其他类型的磁铁相比如何？ 钕铁硼磁体的磁强度约为普通铁氧体磁体的18倍（体积比）。其性能也优于钐钴磁体，磁能积更高（钕铁硼磁体高达400 kJ/m³，而钐钴磁体仅为160-240 kJ/m³）。
Q3. 钕铁硼磁铁的主要应用有哪些？ 钕铁硼磁体在各行各业都至关重要，包括电动汽车、风力涡轮机、硬盘驱动器、核磁共振成像仪以及F-35战斗机等先进军事系统。其高功率尺寸比使其成为需要在紧凑空间内产生强磁场的应用的理想选择。
Q4. 钕铁硼磁铁是如何制造的？ 钕铁硼磁体主要采用粉末冶金工艺生产，例如用于烧结磁体的带坯连铸和喷射研磨。此外，粉末注射成型 (PIM) 也用于制造形状复杂的部件。这两种方法都需要严格控制污染和工艺参数，以实现最佳磁性能。
Q5. 钕铁硼磁体面临哪些供应链挑战？ 中国目前在全球钕铁硼磁体行业占据主导地位，产量占全球供应量的85-90%。这导致其他国家面临战略风险，促使各国积极发展国内生产能力并探索回收利用方案。然而，建立替代供应链仍然是一项重大挑战。