具有局部增强磁性能的永磁体中矫顽力分布的无损分析

《physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters》：Nondestructive Analysis of Coercivity Distributions in Permanent Magnets with Locally Enhanced Magnetic Properties

永磁体局部矫顽力非破坏性检测方法通过结合多阶段磁偏场映射与闭路磁滞计测量，重构材料内部矫顽力分布，验证了该方法的高可靠性与准确性，为梯度磁体优化和质量控制提供新途径。

　　在现代工业和科技应用中，永久磁体作为关键组件被广泛使用，例如在传感器、小型执行器、大型电动机以及发电机等领域。随着对高性能磁体需求的增加，如何在不牺牲材料性能的前提下减少对重稀土元素（HRE）如镝（Dy）和铽（Tb）的依赖，成为当前研究的重要方向。这些重稀土元素不仅成本高昂，而且在全球范围内的储量有限，导致其在磁体制造中的使用受到一定限制。因此，开发一种能够实现磁体局部性能优化的方法，成为提升磁体可持续性和经济性的有效途径。

为了应对这一挑战，研究者提出了一种非破坏性的方法，用于表征局部增强永久磁体中的矫顽力（coercivity）局部变化。这种磁体通过在特定区域增强磁性能，从而在满足应用需求的同时，降低对重稀土元素的依赖。例如，通过晶界扩散（GBD）技术，可以在磁体的某些部分引入更多的重稀土元素，以提升其抗退磁能力，同时在其他区域减少其含量，从而实现材料的优化。然而，如何在不破坏磁体的情况下，准确评估其局部磁性能，仍然是一个技术难点。

当前，用于评估磁体磁性能的方法主要包括积分测量技术，如振动样品磁强计（VSM）和磁滞回线仪（hysteresisgraph），这些设备能够测量磁极化（J）随外加磁场（H）变化的曲线（J-H曲线）。此外，局部测量技术如磁漏场映射（magnetic stray field mapping）和扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）等方法，也能够提供磁体的微结构、化学成分以及局部磁场信息。然而，这些方法在评估磁体局部矫顽力分布方面存在局限性。例如，虽然磁漏场映射可以提供一些关于磁体内部磁场变化的线索，但它往往只能提供定性的信息，无法直接得出矫顽力的具体数值。而SEM-EDS虽然能够分析化学成分，但其检测精度有限，难以准确反映局部矫顽力的变化。

为了解决这一问题，本文提出了一种结合多状态磁漏场映射和闭合回路磁滞回线仪测量的非破坏性方法。该方法通过在不同磁化状态下对磁体进行磁漏场扫描，从而重建磁体内部的局部矫顽力分布。这种方法的核心在于，通过将磁漏场的变化与磁体整体的磁性能（如矫顽力）进行关联，实现对局部磁性能的定量分析。为了验证该方法的有效性，研究者还进行了破坏性分析，即通过将磁体切割成薄片，使用传统的磁滞回线仪测量其矫顽力，并将结果与非破坏性方法的数据进行对比。结果显示，两种方法在矫顽力分布的评估上具有高度一致性，仅存在不到5%的微小偏差，证明了该非破坏性方法的可靠性和准确性。

为了实现这一目标，研究者使用了一种模型磁体作为实验对象。该磁体基于Nd-Ce-Fe-B材料，具有较高的磁极化能力（Jr = 1.15 T）和较低的重稀土元素含量，作为基础材料。随后，通过将1.5 wt%的DyF3作为扩散剂，对磁体的一个大面进行单侧晶界扩散处理，使得Dy在磁体的特定区域富集，从而提高该区域的矫顽力。该处理过程在950°C下持续16小时，并在随后的500°C下进行退火处理，以稳定磁体的微结构。为了进一步验证磁体的微结构变化，研究者还对磁体进行了切割处理，并使用SEM-EDS对切割后的薄片进行分析，以确认Dy的扩散路径和浓度分布。

实验结果显示，Dy的扩散深度约为50 μm，这表明磁体的磁性能在该区域发生了显著变化。通过比较不同区域的磁滞回线数据，研究者发现靠近Dy富集面的磁体具有更高的矫顽力（Hcj）和更低的磁极化（Jr）。例如，切割后的磁体薄片B（靠近Dy扩散面）显示出Hcj = 1010 kA/m，而薄片C（远离Dy扩散面）则为Hcj = 895 kA/m。这一结果表明，Dy的扩散确实对磁体的磁性能产生了显著影响，特别是在局部增强的区域。

为了进一步验证非破坏性方法的有效性，研究者对磁体进行了多状态磁漏场映射。首先，将磁体完全磁化，随后通过磁滞回线仪逐步退磁至不同的磁化状态，包括正向和负向的磁化强度范围（从+1.2 T到-1.2 T）。在每个磁化状态下，使用3D霍尔探针仪对磁体表面上方0.5 mm处的磁场分布进行扫描，并将结果以二维磁场图的形式展示。这些磁场图显示了磁体内部磁场的变化趋势，特别是靠近Dy富集面的区域在较高磁场下表现出更强的抗退磁能力，而在远离该区域的地方则相对较弱。

通过分析这些磁场图，研究者发现当磁场强度达到某一特定值时，磁体的局部矫顽力与外加磁场相匹配，从而在磁场图中出现零点（Bz = 0）。这一现象为非破坏性评估磁体局部矫顽力提供了依据。通过提取这些零点，并将其与破坏性分析的结果进行对比，研究者能够定量评估磁体内部的矫顽力分布。结果显示，非破坏性方法在很大程度上能够准确反映磁体的局部磁性能，且其结果与破坏性分析高度一致，仅存在微小偏差，这进一步证明了该方法的可靠性。

此外，研究者还探讨了该方法在不同应用场景中的适用性。例如，对于需要减少涡流效应的磁体，可以采用分段磁体结构，这些磁体在生产过程中通常通过晶界扩散技术进行局部增强处理。由于晶界扩散处理的方向与磁体的磁化方向垂直，因此可以利用该方法直接提取磁体内部的磁性能变化，从而验证晶界扩散工艺的有效性。相比之下，对于那些在磁化方向上进行优化的磁体，由于其磁性能分布更为复杂，可能需要借助有限元建模等高级分析手段来准确解读磁场图。

尽管该非破坏性方法在评估局部磁性能方面表现出色，但其操作过程仍然存在一定的局限性。例如，进行多次退磁和磁场扫描需要较长的时间，这在实际生产中可能影响效率。因此，研究者建议在实际应用中，可以采用部分退磁（如在Hd10磁场强度下进行扫描）作为快速筛查手段，以快速识别磁体内部的矫顽力不均匀性。这种部分退磁方法能够有效减少操作时间，同时仍能提供足够的信息来判断磁体的整体质量。

总的来说，本文提出了一种新的非破坏性方法，用于评估局部增强磁体的磁性能分布。该方法结合了磁漏场映射和磁滞回线仪测量，能够在不破坏磁体的情况下，实现对磁体内部局部矫顽力的定量分析。通过与破坏性分析的结果进行对比，研究者验证了该方法的准确性，并展示了其在材料优化和质量控制方面的潜力。未来的研究可以进一步探索该方法在不同磁体结构和材料体系中的适用性，特别是对于在磁化方向上进行优化的磁体，以及结合三维磁性能增强技术的新型磁体。此外，随着自动化和智能化技术的发展，该方法的效率和精度还有进一步提升的空间，从而更好地满足现代工业对高性能、可持续磁体的需求。