钕铁硼的使用寿命—永磁体的长时间稳定性

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永磁材料性能的稳定性是永磁材料的重要指标,稳定性主要指磁体充磁后,内外因的影响下其磁性能改变的过程,常用性能指标的变化率来表示。常见的引起磁性能变化的原因有温度、时间、电磁场、辐射、机械振动与冲击等,上期懂磁帝已经为大家介绍了永磁材料的温度稳定性(剩磁温度系数、矫顽力温度系数、可逆温度系数,点击了解详情),这一期我们来了解一下永磁材料的时间稳定性。

磁体长时间工作或长时间放置,周边环境(如温度、湿度、腐蚀性液体等)可能导致磁体物理及化学性质改变。永磁体充磁后绝大部分区域被磁化至特定方向,但还有一些小磁畴的磁化方向是混乱的(称为反磁化核),在各种环境因素作用下,原有的反磁化核会长大,新的反磁化核会产生,这使得永磁体的磁性能发生衰减。这种改变一般是由表及里的缓慢而不可恢复的变化,直接影响磁体的主要性能参数剩磁、内禀矫顽力、矫顽力或最大磁能积,甚至导致磁体完全失效。这种磁性能损失是不可恢复的,即使磁体再充磁,也不能恢复到长时间放置前的水平。近几年,随着钕铁硼永磁材料在航天航空、电动汽车、大功率风力发电等使用寿命要求较长的领域内的广泛应用,应用设计人员对钕铁硼永磁体的时间稳定性越来越重视。

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室温下的长时间稳定性

芬兰学者在2013年发布的一项研究结果显示,在室温环境下放置1年(10000h)的烧结钕铁硼磁体(HcJ=15.6kOe),不同Pc值的样品(Pc=-0.33,-1.1,-3.3)均没有任何可察觉的磁化损失。而三环研究院也进行了类似的测量研究,历时长达12年多(4441天),实验用的烧结钕铁硼磁体内禀矫顽力HcJ=18kOe,样品为边长10.2mm的无镀层立方体,磁导系数Pc=-2(点击磁矩、磁通与剩磁了解什么是Pc),样品数量为8件,直接暴露在实验室所处的大气环境中,温度在22℃~28℃之间,12年内每年进行一次观察和测量。


胡伯平,饶晓雷,王亦忠. 稀土永磁材料(上册)[M]. 北京:冶金工业出版社,2017.289-290

从以上数据中可以发现,前6年所测量到的相对磁通损失基本不大,在2208天(约6年)附近出现拐点。从外观看,放置6年后的黑片磁体表面可见锈斑,这意味着磁体表面及内部已经开始氧化腐蚀,随着时间的推移,其氧化或腐蚀范围会不断地扩大,性能衰减的速率也明显加快。此外,该实验还将磁通损失从目前已测量的4441天(12年零2个月)外推到30-50年,30年预计磁通损失不足1%,50年的磁通损失约1.3%,2%对应的时间大约为150年。(上图空心圆点)

图片来源于网络

这个结果表明,如果将磁体的使用寿命定义为磁通损失率等于5%所对应的时间的话,即使磁体处于表面未做耐腐蚀涂覆,目前被测量的烧结钕铁硼磁体仍有非常长的寿命,保守估计也在30-50年。

通常,较大的磁通损失来源于磁体表面的氧化或腐蚀,是不可恢复的损失,在各类稀土永磁材料中,烧结钕铁硼的这种损失是最严重的,但是经过成分优化和表面防护处理,烧结钕铁硼磁体的抗氧化性和耐腐蚀性已经得到了极大的改善。因此,在磁体表面被很好地保护的情况下,对于有足够高HcJ的烧结钕铁硼来说,使用寿命完全可以超过30年-50年。(这是在不超过使用温度的情况下哦~)
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高温下的长时间稳定性
下图是不同Pc值、HcJ=20.1 kOe的磁体在80℃、120℃和150℃的相对磁通损失随时间的变化。
点击图片可查看大图

从上图中不难发现,相同Pc值下,磁体存放温度越高,相对磁通损失下降速度越快。Pc绝对值较低的磁体初始磁化损失和长时间磁化损失都明显大于Pc较高的磁体,且温度升高两类损失都大幅增长,在因技术和成本原因不能进一步提升HcJ的情况下,将Pc绝对值提高可以有效抑制磁化损失。

点击图片可查看大图

从不同HcJ、不同Pc磁体在不同温度下的相对磁化损失的时间关系中可以看出,HcJ对高温磁化损失有重要影响,HcJ越高磁化损失越低,高温稳定性要求磁体必须具有较高的HcJ。与此同时磁导系数Pc也能决定磁体的高温长时间磁化损失。


以上是懂磁帝整合并总结相关书籍、学术论文、网络资源等各类资料后,对永磁体长时间稳定性的介绍,如有不妥的地方欢迎大家指正。


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