高温永磁材料热退磁机制及寿命问题基础研究

Multi-electric Aero engines have been identified as 21st century Aero engines by the United States, Britain and other countries in the 1990s. The United States and European Union countries have implemented a number of research programs to develop and verify related components and technologies. Among them, high-temperature magnetic bearings and integrated starter movement/generator technology require the use of high-temperature permanent magnetic materials with a temperature of 350°C ~ 550°C. However, the traditional permanent magnet prestabilization treatment is at the cost of losing some magnetic properties, and there is no research report on the long-term application life of high temperature permanent magnet materials. Therefore, it restricts the high performance and long-term stable service requirements of high temperature permanent magnet materials on multi-electric aircraft engines. On the basis of the previous research, this project will systematically study the key factors affecting the thermal demagnetization of high temperature rare earth permanent magnetic materials, explore its intrinsic correlation, and reveal the thermal demagnetization mechanism and accurate prediction model of high temperature permanent magnetic materials. Combined with the application of magnetic circuit environment, the optimal prestable treatment method is constructed to effectively enhance the service performance of high temperature permanent magnets. In this paper, a long-term application life evaluation method for high temperature permanent magnetic materials is proposed, and a life prediction model, which is combined with experimental verification to meet the long-term application requirements of high performance permanent magnetic materials by multi-electric aero-engines.

多电航空发动机在20世纪90年代就已被美英等国确定为21世纪的航空发动机。美国和欧盟国家实施了多项研究计划，开发和验证了相关的部件和技术。其中，高温磁力轴承和一体化起动机/发电机技术需要使用温度达到350℃~550℃的高温永磁材料。然而，传统的永磁体预稳定处理方式以损失部分磁性能为代价，而且高温永磁材料的长期应用寿命问题尚无研究报道，因此制约了高温永磁材料在多电航空发动机上的高性能与长期稳定服役要求。本项目拟在前期研究基础上，系统研究高温稀土永磁材料的热退磁关键影响因素，深入探究其内在关联性，揭示高温永磁材料的热退磁机制及精确预测模型；结合应用磁路环境，构建最优预稳定处理方法，有效增强高温永磁体服役性能；提出高温永磁材料高温环境长期应用寿命评价方法，构建寿命预测模型，并与实验验证相结合，满足多电航空发动机对高性能高温永磁材料的长期应用需求。

航空航天及军工装备应用的发展，要求高温永磁体具有高可靠性、长寿命，即在 20 年内磁体的磁通或剩磁损失不超过 10%。然而永磁体随温度升高会发生严重的剩磁损失，如高温稳定性最好的铝镍钴永磁材料，在 500°C 下加热 24 小时后，磁通损耗仍达到 8%。商业 Sm-Co 磁体，300°C 下加热 2 小时老化处理，就可能导致 5-13%的剩磁损耗；温度稳定性最差的 Nd-Fe-B 永磁体，在 100°C 下加热 30 分钟后，剩磁下降达 10-35%。因此，高温稀土永磁材料的高温服役性能研究具有重要意义。.本工作研究了高温永磁材料的高温短时热退磁关键影响因素，利用有限元与微磁学模拟手段，分析了磁体内部磁场分布以及各种能量变化，通过磁光克尔磁畴观测技术结合实验设计，观测了磁体加热前后磁畴结构的变化，揭示了高温热退磁机制。.通过长时间高温老化实验设计，研究了三种高温钐钴永磁体磁通损失与退磁因子和时间的关系，分别对应超温服役（T>Tm）、最高使用温度服役（T=Tm）和低于最高使用温度服役（T<Tm）三种服役情况，揭示了高温永磁体长期服役的磁通变化与时间的内在关系及其影响因素。.以磁性单畴纳米颗粒磁性系统，讨论了磁粘滞性、反磁化能垒分布与磁性长时间衰减的关联，通过分析实际钐钴永磁体的反磁化过程，结合磁粘滞与热激活理论，研究了磁场与温度对永磁体服役的影响，构建了高温永磁体热激活模型，实现了永磁体在给定磁场、温度服役中的磁性随时间变化预测，预测结果与长期老化实验结果进行了对比，探索了一种适用于高温永磁体的服役稳定性预测方法。.将高温永磁体的热激活模型与商业有限元软件结合，研究了Halbach磁体阵列的长时间高温老化行为，初步探索了高温永磁器件长时间稳定性优化设计，为高温永磁器件服役稳定性优化和长寿命应用提供了方案。