稀土永磁材料在國防軍工領(lǐng)域的應(yīng)用*

宋新昌 周 鷹 楊 云

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所國防科技工業(yè)弱磁一級計量站 宜昌 443003)

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稀土永磁材料在國防軍工領(lǐng)域的應(yīng)用*

宋新昌 周 鷹 楊 云

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所國防科技工業(yè)弱磁一級計量站 宜昌 443003)

介紹了稀土永磁材料的特點、新的制備工藝以及該材料在國防軍工領(lǐng)域的應(yīng)用。

稀土永磁; 釹鐵硼; 電機(jī)

Class Number E835

1 引言

稀土永磁材料作為一種重要的功能材料,由于其較高的磁性能使得高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中的磁器件高效化、小型化、輕型化成為可能,該材料已廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、兵器等國防軍工領(lǐng)域及儀器儀表、能源交通、醫(yī)療設(shè)備、電子通訊等軍用和民用領(lǐng)域,相信隨著稀土永磁應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展,定會迎來一個稀土永磁高新技術(shù)應(yīng)用的新時代。

2 稀土永磁的特點

稀土永磁材料是指稀土金屬和過渡族金屬形成的合金經(jīng)一定的工藝制成的永磁材料,作為一種重要的功能材料,具有以下幾方面的優(yōu)點[1]:

1) 高的磁特性:具有很高的剩磁、磁能積和矯頑力,目前普遍采用的燒結(jié)鈷基稀土永磁體的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)1.2T,接近鋁鎳鈷永磁體的最高水平,而其矯頑力可做到800kA/m,約為永磁鐵氧體的三倍。

2) 直線退磁特性:它們的退磁曲線基本為直線,恢復(fù)線與退磁曲線相重合,可逆磁導(dǎo)率接近于1.0。

3) 耐溫高:燒結(jié)鈷基稀土永磁體的局部溫度可達(dá)850℃,因此可適應(yīng)高溫環(huán)境工作,鈷基稀土永磁體的工作溫度可達(dá)300℃。

4) 溫度穩(wěn)定性好:鈷基稀土永磁體的剩磁可逆溫度系數(shù)可做到0.03%,其水平接近鋁鎳鈷永磁體。

3 稀土永磁材料的制備工藝

作為第三代稀土永磁材料的釹鐵硼自1983年由日本和美國學(xué)者發(fā)明以來,發(fā)展可謂日新月異。從晶體結(jié)構(gòu)、微觀組織、磁疇形態(tài)、反磁化機(jī)制到內(nèi)外稟磁性和制備工藝等方面人們都進(jìn)行了廣泛深入的研究[2～3]。

傳統(tǒng)燒結(jié)方法制備燒結(jié)Nd-Fe-B稀土永磁材料采用粉末冶金方法制造,其工藝的基本流程如下:原材料準(zhǔn)備→冶煉→鑄錠→破碎與制粉→磁場取向與壓型→燒結(jié)→回火→機(jī)加工與表面處理→檢測。

現(xiàn)階段,使用傳統(tǒng)的制備工藝,產(chǎn)業(yè)化的Nd-Fe-B磁體磁能積可達(dá)50MGOe的水平,實驗室可達(dá)到的56.7MGOe的水平,這與燒結(jié)Nd-Fe-B的磁能積(BH)max理論值(64.0MGOe)存在一定的差距,由于市場對高性能Nd-Fe-B的需求越來越大,使得人們在進(jìn)一步提高釹鐵硼磁體磁性能方面的努力一直沒有停止,體現(xiàn)在一些新工藝的開發(fā)上。目前廣泛應(yīng)用的先進(jìn)工藝有[4]:

1) 雙相合金法技術(shù)

生產(chǎn)燒結(jié)Nd-Fe-B系永磁材料大部分是用單合金法。近期發(fā)展了一種新的制造燒結(jié)Nd-Fe-B永磁材料的方法,即雙相合金法[5～6]。它與單合金法的主要區(qū)別在于:分別冶煉兩種母合金錠。其中主合金的成分與Nd2Fe14B成分十分接近;輔合金是富稀土(R=Nd、Pr、Dy、Tb…)的,并含有Co、Al、Cu、Ga、V、Ti等一種或兩種以上的元素,輔合金實際上是晶界相。兩種合金錠分別粗破碎到約200μm,然后按一定的比例混合,后面的工序與單相法相同。雙相合金法的主要優(yōu)點是:(1)相同成分的材料,用雙相合金法比單合金法的磁性能高。(2)雙相合金法制造的燒結(jié)永磁體粉末具有較好的抗腐蝕能力。(3)若生產(chǎn)環(huán)境相同,雙相合金法生產(chǎn)的燒結(jié)磁體最終氧含量比單合金法的低。

2) 近快速凝固鱗片鑄錠技術(shù)

它是由感應(yīng)熔煉坩堝、中間包、旋轉(zhuǎn)冷卻輥、轉(zhuǎn)動冷卻容器組裝在一個大的真空容器內(nèi),外部與真空機(jī)組系統(tǒng)和中頻電源連接。它主要是利用以一定的流速和流量將合金液噴射到以一定速度旋轉(zhuǎn)的冷卻輥表面上,它將熔體拉伸形成一定厚度的近快速凝固厚帶或鱗片鑄錠(Strip Casting,SC),并將厚帶鑄錠送入轉(zhuǎn)動的冷卻容器中,使它冷卻到一定的溫度,以避免它們之間的粘連,通過合理選擇旋轉(zhuǎn)輥的材質(zhì)和冷卻能力來控制SC的顯微結(jié)構(gòu),使SC內(nèi)不存在α-Fe,不存在團(tuán)塊狀的富Nd相,不存在細(xì)小的等軸晶或非晶區(qū),從而使SC具有可制造高性能燒結(jié)FeNdB所要求的顯微結(jié)構(gòu)[7]。

3) 氫破碎(HD)+氣流磨(JM)制粉

在一定溫度與氫氣壓力的條件下,氫與許多金屬或金屬間化合物反應(yīng)是可逆的。將具有新鮮表面Nd-Fe-B系合金鑄錠裝入不銹鋼容器中,在特定溫度,反應(yīng)生成金屬氫化物,氫化時形成氫化物的局部區(qū)域產(chǎn)生體積膨脹和內(nèi)應(yīng)力,當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過Nd2Fel4B化合物的斷裂強(qiáng)度時,就產(chǎn)生爆裂,稱為氫爆。經(jīng)氫破碎(HD)后,添加添加劑與HD粉均勻混合,一起進(jìn)行氣流磨(JM)。添加劑起下列作用:防止粉末顆粒與空氣接觸,起防氧化作用;減弱粉末顆粒之間的靜磁作用,減少粉末顆粒之間的團(tuán)聚,起分散劑的作用;增加粉末顆粒的流動性與移動性,起潤滑劑的作用;有利于粉末顆粒在磁場中的取向,可提高取向度;其Br可提高0.02T～0.04T,其磁能積(BH)max也可相應(yīng)提高。

4) 橡皮模等靜壓

橡皮模等靜壓(Rubber Isotropic Presser)工藝是利用橡皮形狀可變而體積不變的特性,以橡皮作為壓制介質(zhì),由于壓制過程中收縮是各向同性的,因此能很好地保持粉末的取向度。橡皮模壓工藝的優(yōu)點是:這種方法是從各個方向均勻壓制,與采用金屬模的單軸壓制相比,可使壓制位移量減至1/3,進(jìn)而可防止由金屬模壁摩擦造成的取向破壞,可獲得較高的取向度和剩磁。

5) 一步成型工藝

一步成型工藝,可使壓坯的密度高達(dá)5.59/cm3,由于壓坯的密度顯著提高,燒結(jié)過程中坯體的收縮完全,燒結(jié)后磁體的密度隨之增高。一步成型工藝還可免除等靜壓、線切割、打孔等工序,從而使生產(chǎn)成本大為降低。據(jù)估計,由于原材料的節(jié)省和加工工序的簡化,生產(chǎn)成本可降低40%～50%。

4 稀土永磁材料在國防軍工上的應(yīng)用

4.1 稀土永磁在兵器行業(yè)的應(yīng)用

“愛國者”導(dǎo)彈能比較輕易擊毀“飛毛腿”導(dǎo)彈的原因在于“愛國者”導(dǎo)彈精確制導(dǎo)系統(tǒng)的出色工作,其制導(dǎo)系統(tǒng)中使用了大約4公斤的釤鈷磁體和釹鐵硼磁體用于電子束聚焦[8]。

4.2 稀土永磁在航空方面的應(yīng)用

F-22戰(zhàn)機(jī)可以超音速巡航,是因為其強(qiáng)大的發(fā)動機(jī)及輕而堅固的機(jī)身所賜,而F-22戰(zhàn)斗機(jī)上的發(fā)動機(jī)所使用的磁體正是稀土永磁材料[9]。

4.3 稀土永磁在野戰(zhàn)化方面的應(yīng)用

如今,我國軍方采用稀土永磁發(fā)電技術(shù)制造出適用于我軍車輛化野營裝備的1.5kW的超靜音電機(jī),比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的效率提高了許多,重量減輕了30%,較好地滿足了安全可靠、低噪音的野戰(zhàn)化需求。

4.4 稀土永磁在航天方面的應(yīng)用

多年來,長征系列運載火箭、“神州”系列、“嫦娥一號”、“嫦娥二號”、“天宮一號”的成功發(fā)射與采用高性能的釤鈷永磁材料是密不可分的。在2012年6月發(fā)射升空的“神州九號”上[10](圖1),更是使用了大量的稀土永磁材料,具體表現(xiàn)在:

圖1 神州九號與天宮一號示意圖

1) 運載火箭系統(tǒng)[11]

包頭稀土院研制的導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵部件(釤鈷永磁材料)應(yīng)用到長征3號甲運載火箭上。

2) 衛(wèi)星天線展開機(jī)構(gòu)系統(tǒng)

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了各種類型的展開式天線(固體鏡面展開天線、網(wǎng)狀鏡面展開天線、環(huán)形天線等)。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道后,天線都要展開,以實現(xiàn)通訊功能,其作用非常關(guān)鍵。電動展開機(jī)構(gòu)一般由稀土永磁直流電動機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)組成,稀土永磁直流電動機(jī)具有過載能力大、抵御去磁能力強(qiáng)、換向優(yōu)越、可靠性高、控制便利及系統(tǒng)簡單等特點。

3) 用戶終端驅(qū)動系統(tǒng)

用戶終端的驅(qū)動方面由具有超長壽命、高可靠性、低功耗的稀土永磁步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行。

4) 衛(wèi)星天線伺服跟蹤系統(tǒng)

載人飛船之間以及它們與地面指揮接收系統(tǒng)之間的通訊愈來愈重要,它是實現(xiàn)系統(tǒng)及衛(wèi)星(飛船)監(jiān)控、獲取信息和捕捉目標(biāo)的重要途徑,要實現(xiàn)航天飛行器間實時數(shù)據(jù)指令傳輸,發(fā)射及接收裝置需要始終對目標(biāo)進(jìn)行精確定位與跟蹤:由于航天飛行器之間距離遙遠(yuǎn),相對移動速度極低,為保證指令及數(shù)據(jù)通訊的連續(xù)性和準(zhǔn)確性,必須對目標(biāo)進(jìn)行不間斷的高精度超低速智能化伺服跟蹤。執(zhí)行元件為正弦波無槽稀土永磁無刷電機(jī)。

5) 掃描及成像系統(tǒng)

掃描及成像驅(qū)動機(jī)構(gòu)由稀土永磁無刷直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)及傳動機(jī)構(gòu)組成,實現(xiàn)相機(jī)或掃描儀的位置反饋及驅(qū)動控制。

6) 姿態(tài)控制系統(tǒng)

航天器在軌道上運動時或其特定設(shè)備進(jìn)行伺服運動時,往往產(chǎn)生反作用力矩,會對航天器的姿態(tài)會產(chǎn)生擾動。為了保持航大器的正常工作,需要進(jìn)行姿態(tài)控制,反作用飛輪是航天器姿態(tài)控制的常用機(jī)構(gòu),以補(bǔ)償衛(wèi)星產(chǎn)生的動量不平衡。其執(zhí)行元件采用高速稀土永磁外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)。

7) 太陽能帆板驅(qū)動系統(tǒng)

該裝置采用高定位的力矩步進(jìn)電機(jī),使太陽能電池板始終面向太陽,以保證飛船得到所需的能源,在太陽能電池板定位后,電機(jī)斷電依靠其自定位力矩鎖定太陽能電池板的位置。

8) 溫控閥調(diào)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)

該裝置也采用了步進(jìn)電機(jī),用于飛行艙的環(huán)境控制系統(tǒng),為宇航員提供安全、舒適的工作環(huán)境。天線程序跟蹤伺服系統(tǒng)實現(xiàn)星、地和星、船之間通信的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集和傳輸。通信天線由混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動,天線位置檢測采用高精度旋轉(zhuǎn)變壓器,系統(tǒng)采用高速微處理器實現(xiàn)高精度位置閉環(huán)控制,可實現(xiàn)很高的跟蹤精度。

9) 航天器交會對接機(jī)構(gòu)

從對接機(jī)構(gòu)接觸開始,經(jīng)過捕獲、緩沖、拉回、鎖緊四個步驟,“神舟九號”飛船與“天宮一號”目標(biāo)飛器連接,形成組合體交會對接技術(shù)是載人航天領(lǐng)域的幾大關(guān)鍵技術(shù)之一,意義重大?？臻g對接機(jī)構(gòu)對載人飛船、空間站、空間試驗室的正常工作起到關(guān)鍵性的作用?？臻g對接機(jī)構(gòu)上使用的電機(jī)較多,電機(jī)的正常工作關(guān)系到對接機(jī)構(gòu)運行的可靠性和平穩(wěn)性,關(guān)系到飛船運行的安全性,因而電機(jī)的可靠性和性能非常關(guān)鍵。對接過程為有時間要求的變負(fù)載過程,對接機(jī)構(gòu)由三種稀土永磁電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動,包括兩種特種直流電機(jī)和一種模塊化驅(qū)動的無刷直流電動機(jī)。為了保證飛船交會對接的平穩(wěn)性和可靠性,采用電磁阻尼器吸收對接時釋放的能量,減緩系統(tǒng)的碰撞作用。它的正常工作關(guān)系到交會對接的可靠進(jìn)行,是對接機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵性部件。

10) 火箭燃料閥的控制

該裝置采用了稀土永磁混合式步進(jìn)電機(jī),火箭的飛行姿態(tài)由火箭游動發(fā)動機(jī)所決定,而游動發(fā)動機(jī)的方向控制是由大功率的稀土永磁直流電機(jī)實現(xiàn)的。從火箭發(fā)射到起飛后一段時間內(nèi),火箭發(fā)射飛行的可視化是指揮決策非常重要的一部分,由于火箭升空高度不夠,位于雷達(dá)盲區(qū),尤其在發(fā)射出現(xiàn)故障(如飛行出現(xiàn)較大偏差等)的情況下,外測系統(tǒng)很難捕獲月標(biāo),致使指揮控制人員無法得到火箭飛行數(shù)據(jù),做出正確的判斷和指揮。所以在起飛初始階段,采用基于圖像的自動跟蹤系統(tǒng)來跟蹤火箭有著十分重要的意義。在基于圖像的自動跟蹤系統(tǒng)中,根據(jù)圖像識別處理子系統(tǒng)得到的目標(biāo)圖像與監(jiān)視器中心位置的誤差,控制云臺運動方向,實現(xiàn)對火箭的實時跟蹤,而云臺控制系統(tǒng)實際上就是一個運動控制系統(tǒng),其執(zhí)行電機(jī)一般采用高性能的步進(jìn)電機(jī)。

5 結(jié)語

本文介紹了稀土永磁的特點和制備工藝,并詳細(xì)介紹了稀土永磁產(chǎn)品在國防軍工方面的應(yīng)用,各國政府為了提高自己的軍事科技水平,定會投入大量的精力去研究、開發(fā)更高性能的稀土永磁產(chǎn)品,隨著稀土永磁材料制備工藝水平的提升及新的稀土永磁產(chǎn)品的問世,在國防領(lǐng)域方面將會促使其產(chǎn)品的質(zhì)量和性能大幅度提高。

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[10] 稀土在神州飛船載人航天系統(tǒng)工程上的應(yīng)用[EB/OL].http://guba.eastmoney.com/look,600111,1015857828.html.

[11] 李學(xué)工.包鋼稀土永磁產(chǎn)品助力神九飛天[EB/OL].[2012-06-19].http://www.baotounews.com.cn/epaper/btwb/html/2012-06/19/content_198403.htm.

Application of Rear-earth the Permanent Magnetic Materials in The National Defence

SONG Xinchang ZHOU Ying YANG Yun

(1st Class Weak Magnetic Metering Station of NDM,No.710 Research Institute,CSIC,Yichang 443003)

The characteristics of the rare earth permanent magnetic material,it is new preparation process and the application of the materials in the field of national defense are introduced.

rear-earth permanent magnetic material,Nd-Fe-B,motor

2014年8月8日,

2014年9月27日

宋新昌,男,碩士,工程師,研究方向:磁學(xué)工程。

E835

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.007