永磁材料性能的稳定性是其核心指标之一。所谓稳定性,指的是磁体充磁后,在内外因素影响下磁性能变化的过程,通常用性能指标的变化率来衡量。在温度、时间、电磁场、辐射、机械振动与冲击等诸多影响因素中,时间稳定性是本期重点探讨的内容。
一、时间稳定性机理:不可逆的磁性能衰减
磁体长时间工作或放置时,周边环境因素(温度、湿度、腐蚀性液体等)会引发其物理及化学性质的改变。永磁体充磁后,虽然大部分区域磁化方向一致,但仍有部分小磁畴方向混乱(称为反磁化核)。在环境因素作用下,反磁化核会逐渐长大并产生新的反磁化核,导致磁性能衰减。
这种变化具有以下特征:
值得注意的是,这种磁性能损失是不可恢复的,即使重新充磁,也无法回到初始水平。随着钕铁硼永磁材料在航天航空、电动汽车、大功率风力发电等长寿命领域的广泛应用,其时间稳定性已成为设计人员重点关注的问题。
二、室温环境下的长期稳定性研究
1. 短期研究:无明显磁化损失
芬兰学者在2013年的研究显示,在室温环境下放置1年(约10000小时)的烧结钕铁硼磁体(HcJ=15.6kOe),无论Pc值如何(Pc=-0.33、-1.1、-3.3),均未观察到可察觉的磁化损失。
2. 长期跟踪:12年实验揭示衰减规律
三环研究院进行了一项历时12年多的深入研究(4441天),实验参数如下:
研究发现:
3. 长期预测:惊人的使用寿命
根据实验数据外推分析:
30年磁通损失:<1%
50年磁通损失:约1.3%
达到2%磁通损失:约需150年
重要结论: 如果将磁体使用寿命定义为磁通损失率5%对应的时间,即使无表面防护,实验用烧结钕铁硼磁体的寿命保守估计也在30-50年。
4. 防护措施的关键作用
研究表明,磁通损失主要来源于磁体表面氧化或腐蚀,这是不可恢复的损失。在各类稀土永磁材料中,烧结钕铁硼的这类损失最为严重。但通过成分优化和表面防护处理,其抗氧化性和耐腐蚀性已得到极大改善。
防护建议: 在磁体表面得到良好保护且HcJ足够高的情况下,烧结钕铁硼磁体的使用寿命完全可以超过30-50年(前提是不超过其使用温度上限)。
三、高温环境下的长时间稳定性
高温会显著加速磁性能衰减。下图展示了不同Pc值、HcJ=20.1kOe的磁体在80℃、120℃和150℃下的相对磁通损失随时间的变化:
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关键发现:
温度效应:相同Pc值下,温度越高,磁通损失下降速度越快
Pc值影响:Pc绝对值较低的磁体,初始和长期磁化损失均明显大于Pc较高的磁体
综合作用:温度升高时,两类磁体的磁化损失均大幅增长
性能优化策略:
永磁材料的时间稳定性是决定其应用寿命的关键因素。研究表明:
室温环境下:高性能钕铁硼磁体具有极长的使用寿命,可达数十年
高温环境下:温度是加速磁性能衰减的主要因素,需通过提高HcJ和优化Pc来增强稳定性
防护措施:表面防护和成分优化可显著延长磁体使用寿命
随着永磁材料在高端应用领域的不断拓展,深入理解其时间稳定性机理并采取相应的防护措施,对确保设备长期可靠运行至关重要。