来自美国能源部下属的橡树岭国家实验室（ORNL）的研究团队今日发表了一项关于磁性材料3D打印的研究成果，研究人员利用BAAM，Big Area Additive Manufacturing（大幅面增材制造）方法，获得了高密度各向异性粘接磁体，磁能积达到143.2 kJ/m3。

各向同性与各向异性粘接磁体

粘结永磁体是把具有一定永磁性能的永磁粉末与粘结剂及其他添加剂按一定比例混合，成型的复合永磁材料。粘结磁体分为各向同性和各向异性粘结磁体，各向异性磁体在磁体成型过程中需要对磁粉进行磁场取向排列，使磁粉的易磁化取向方向一直，从而使磁体在取向方向获得更优异的磁性能。各向同性粘结磁体则是在成型过程中不需要磁场取向。

通常有两种工艺流程制备粘结磁体，一是模压成型工艺，二是注塑成型。模压成型磁体可以获得比注射成型更高的磁粉填充率，因此模压成型磁体的磁能积也相对较高。注射成型的磁体在复杂结构磁体方面具有更高的灵活性，但模具的制备成本较模压成型较高。

与传统技术相比，3D打印技术无需成型模具，直接根据数字模型文件打印复杂结构磁体，具有成本低、材料浪费少、制作周期短的优点。近几年利用3D打印制备磁体发展较快，3D打印磁体所获的磁能积逐年上升，广泛引起了产业界的关注和兴趣。


BAAM，Big Area Additive Manufacturing（大幅面增材制造），是由美国能源部下属的橡树岭国家实验室（ORNL）和传统机床制造商Cincinnati公司联手开发的高速大型3D打印设备。研究人员利用这一方法将磁粉打印成块状磁体和环状磁体，如图一（a），打印好的磁体毛坯再进行磁场取向。取向的方式为，将刚打印成的磁体从室温加热至550K，保温15分钟后，在室温测量磁滞回线（b）。数据显示这一打印后加热磁场取向的方式对磁体磁能积的提升效果非常明显。对不同样品进行测试显示，磁体的均匀性还有进一步提升的空间。


研究人员对磁场取向前后样品的XRD和SEM进行了分析，进一步确认了磁体磁能积的提升和磁粉在磁场中取向排列有关，如图二所示。研究人员又进一步研究了3D打印方法获得的磁体的力学性能。70% vol 各向异性磁体的弹性极限是14.2 MPa，较60%vol各向同性磁粉的弹性极限6.6MPa提升73%。可能是填充率的提高对磁体力学性能有提高改善作用。






美国橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员近几年一直研究利用3D打印技术打印不同填充率的磁体，相关性能指标如图四所示，2016年可打印65 vol.%的各向同性磁体，磁能积约为，43.76 kJ/m3，2018年将磁粉填充率提高至70 vol.%,相应的磁能达到58.09 kJ/m3。2018年同时开发3D打印各向异性粘接磁体，磁粉填充率65vol%，磁能积密度达到89.92 kJ/m3。这一工作将磁粉填充率提升至70 vol.%，磁能积密度达到140kJ/m3。已经达到通过传统制造方式获得的粘接磁体的磁性能。这一研究表明，3D打印制造方法是一种非常有前景的磁体制造新方法。



参考文献：
Additive manufacturing of highly dense anisotropic Nd-Fe-B bonded magnets, Scripta Materialia 183 (2020) 91–95.