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《科技日报》头版头条 | 做契合资源禀赋的稀土永磁材料——中国钢研开发新型铈磁体材料纪实
发布时间:2023-05-31 浏览次数:15056

  来自:中国钢研


5月17日,《科技日报》头版头条刊发“创新故事”特别策划——做契合资源禀赋的稀土永磁材料——中国钢研开发新型铈磁体材料纪实。全文如下: 

说起稀土永磁材料,不少人会感到陌生。

实际上,此时此刻,你可能正将它握在手中:手机的变焦镜头,通过微型电机来运转,这种电机里就有数颗小小的稀土永磁材料。

除了应用于手机,稀土永磁还是战略性新兴产业的关键功能性材料。在江西赣州,世界首条采用永磁磁浮技术的“兴国号”列车正穿梭于革命老区兴国县,其中就应用了一种新型稀土永磁材料——铈磁体。

 

图片来源:视觉中国


历时多年攻关,铈磁体的研发由中国工程院院士、中国钢研科技集团有限公司(以下简称中国钢研)副总工程师李卫研究团队率先取得突破,并成功实现产业化。

不能让稀土变成“土”

提到稀土永磁,绕不过它的原材料——稀土。自20世纪80年代起,李卫就多次对我国北方稀土矿进行调研,解决稀土资源的平衡利用问题时刻萦绕在他脑海中。

原来,稀土好比“多胞胎”,共有17种元素,但不同元素的丰度却相差甚远。例如,在我国白云鄂博共伴生稀土矿中,铈元素约占50%,镧元素占25%左右,镨、钕元素占21%左右。

然而,目前市场上主要的稀土永磁材料是钕磁体。这种磁体最早由国外研发成功,需要大量使用稀土中稀缺的钕、镨元素,而含量较高的镧、铈元素却难以派上用场。

“剩下的大部分稀土元素都没得到充分利用,堆积在那里,稀土真的变成了‘土’。”李卫痛心地说,稀土属于战略性稀缺矿产资源,如果能对储量丰富的镧、铈元素高效利用,我国的稀土资源量相当于翻了一番。

针对这一现实困境,2006年,李卫下定决心带领团队启动铈磁体的研发工作,以解决稀土中丰度最高的铈元素在稀土永磁材料中的应用问题。

其实,钕磁体自20世纪80年代问世后,就有人尝试往其中添加铈元素。多年过去了,却一直没能成功。

在钕磁体中,钕、铁、硼3种原子的数量比例依次为2∶14∶1。研究团队希望,用铈原子逐步替代其中的钕原子。但铈的秉性脾气着实令人头疼。研究团队成员朱明刚解释说,从磁学的角度来看,铈元素的本征磁性较钕弱很多。此前研究表明,添加铈元素通常导致磁性能下降,因此这种元素不适于永磁体的生产。

“过去,稀土永磁领域通常认为,铈是有害的,添加铈会对稀土永磁材料产生副作用。”李卫告诉科技日报记者,“如何将‘有害’变‘有用’?这正是我们要攻克的难题。”

啃下原创“硬骨头”

没有经验可循,只能埋头去啃这块“硬骨头”。

研究团队针对铈磁体研发中的瓶颈问题,反复建模、实验、分析,探索钕铁硼材料中添加铈元素的制备技术,尝试用各种方法改善铈磁体的微观组织结构。同时,他们每周都会举行讨论会,对实验结果进行分析。

经历无数次实验之后,在2010年的一次讨论会上,研究团队终于迎来重大转机。“我们对当时的多项实验结果进行分析后发现,当具备一种特殊的结构时,铈磁体展示出显著提升的综合性能。”李卫对那次讨论会记忆犹新。

新发现令团队成员欢欣鼓舞。李卫却给大家泼了盆冷水:“只有一次实验结果不行,要把实验重复出来,真正搞清楚这种结构背后的规律。”

又经历一年多艰苦的实验和探索,研究团队实现了实验的稳定重复,真正攻克了新型铈磁体的关键制备技术。2011年至2012年,中国钢研在国内申请了铈磁体发明专利,并先后在美国和德国获得发明专利授权。

 

中国钢研科研人员正在进行稀土永磁材料性能检测。科技日报记者 刘园园  

这些年,李卫研究团队对铈磁体的研究逐步深入。伴随着一次次技术突破与创新,铈磁体的性能不断提升。铈元素占材料中稀土元素的比例,也从零一步步提升到60%以上。比例越高,难度越大。让铈元素占材料中稀土元素用量的80%甚至100%,同时拥有良好性能,这是研究团队目前正在攻关的目标。

“第一代和第二代稀土永磁材料,国内的研发属于‘跟跑’。但铈磁体是中国人的原创,我们拥有完全自主知识产权。”中国钢研总经理李波自豪地说。 

从实验室走上生产线 

“铈磁体要以应用为主,边研究边应用,不能让研究成果躺在那里不发挥作用。”李卫多次向团队强调。

现实是“骨感”的:从实验室中的样品,到生产线上的商品,科研成果的转化绝非易事。刚开始,有不少企业主动找上门,结果都打了退堂鼓,原因之一是认为铈元素在永磁材料中大量替代钕元素不太可能。

为了让铈磁体真正发挥出应用价值,研究团队迎难而上。他们主动找生产企业洽谈合作,上门推荐这种新型稀土永磁材料

功夫不负有心人。2013年,研究团队终于找到两家有勇气“第一个吃螃蟹”的企业——宁波复能新材料股份有限公司和山东上达公司。随后,他们开始与这两家企业合作开展铈磁体的成果转化,进行产业化技术攻关。2017年,宁波复能新材料股份有限公司获得专利授权许可生产销售的新型铈磁体达到6000吨,铈磁体成功实现产业化。

短短几年过去,国内铈磁体的年产量已超过6万吨,规模约占整个稀土永磁产业的三分之一。契合中国稀土资源禀赋、具有中国特色的铈磁体产业初具雏形。“铈磁体产业成长这么迅速,连我自己都没预料到。”李卫笑言。

 

中国钢研生产人员正在进行稀土永磁产品出厂检测。科技日报记者 刘园园 


“谈铈色变”,到备受欢迎,其背后隐藏着强大的市场逻辑。研究团队成员李安华告诉记者,由于铈元素在稀土中丰度较高,铈的价格只有钕的二十分之一左右,无论在资源的可持续利用,还是产品的性能价格比上,铈磁体都占有竞争优势。

目前,铈磁体已广泛应用于机器人、高端机床、医疗、节能家电和电动自行车等领域各类电机中。去年5月底,一台应用了1吨铈磁体的1.5兆瓦风力发电机,在宁夏宁东灵武一期京能风电场安装调试完毕,正式并网发电。新能源汽车驱动电机等更广阔的市场也正在开拓。

党的二十大报告指出,以国家战略需求为导向,集聚力量进行原创性引领性科技攻关,坚决打赢关键核心技术攻坚战。“一种新型材料的研发需要十几年甚至几十年的努力。要扎扎实实,不为一时一利,瞄准国家战略需求,推动整个行业的发展进步。”李波说,“这也是我们作为科研型央企的责任和使命!”

 

科技日报记者 刘园园