不同环氧树脂对粘结NdFeB磁体性能影响的研究

摘要：本文系统对比了双酚A型环氧树脂（A树脂）与线型酚醛环氧树脂（B树脂）对粘结NdFeB磁体性能的影响机制。通过调控树脂/磁粉复合前驱体的固化工艺（A：180℃/60min，B：190℃/60min），发现A树脂体系磁体因密度优势（6.35g/cm³ vs 6.26g/cm³）展现出更高剩磁（Br=735mT）与最大磁能积（（BH）max=90.0kJ/m³）。而B树脂凭借高交联密度和刚性链段结构，使磁体在150℃高温下仍保持161.8N的压溃力，显著优于A树脂磁体的77.8N，因此B树脂的高温性能要优于A树脂。研究结果表明，树脂的流变特性与热力学性能协同影响着磁体的综合性能，为不同应用场景（精密电机/高温器件）的环氧树脂优选提供了实验依据。

关键词：粘结NdFeB磁体 环氧树脂 磁能积 压溃力

Abstract：This paper systematically compares the influence mechanisms of bisphenol A epoxy resin （Resin A） and linear phenolic epoxy resin （Resin B） on the properties of bonded NdFeB magnets. By regulating the curing processes of the resin/magnetic powder composite precursors （A： 180°C for 60 min， B： 190°C for 60 min）， it is found that the magnets in the Resin A system exhibit higher remanence （Br = 735 mT） and maximum magnetic energy product （（BH）max = 90.0 kJ/m³） due to the density advantage （6.35 g/cm³ vs 6.26 g/cm³）. However， relying on the high crosslink density and rigid chain segment structure， the magnets made of Resin B still maintain a crushing force of 161.8 N at a high temperature of 150°C， which is significantly better than the 77.8 N of the Resin A magnets. Therefore， the high-temperature performance of Resin B is superior to that of Resin A. The research results indicate that the rheological properties and thermodynamic performance of the resin jointly affect the comprehensive properties of the magnets， providing an experimental basis for the optimal selection of epoxy resins for different application scenarios （precision motors/high-temperature devices）.

Key words：Bonded NdFeB magnets ，Epoxy resin， Magnetic energy product， Compressive strength

1.引言

粘结NdFeB磁体是使用各向同性快淬NdFeB磁粉，以热固性树脂或热塑性树脂作为粘结剂，再添加必要的助剂均匀混合后，用压制、挤出、注射和压延的方法制备而成的复合磁体【1】。粘结NdFeB磁体具有尺寸精度高，可生产形状复杂的产品，便于大批量自动化生产【2】的特点。同时，粘结NdFeB磁体还具有原料利用率高，支持多极充磁等显著优点，再结合不同的磁路设计，粘结NdFeB磁体越来越多地应用在汽车微电机和磁传感器，工业机器人，节能变频家电，无人机，电动工具，电脑硬盘和打印机中，是永磁材料领域不可缺少的重要组成部分。其中，利用压制成型工艺生产的粘结NdFeB磁体，因具有最高的磁粉填充比，磁体密度和磁能积，甚至在有些低功率应用场景中可以代替烧结钕铁硼，越来越受到关注。

压制成型工艺目前主要采用环氧树脂作为粘结剂，固化后拥有优良的机械性能，基本原理是通过环氧树脂及固化剂对NdFeB磁粉的均匀包覆，实现混胶粉的可填充性和压制性，使粘结NdFeB磁体的表现出良好的磁性能和力学性能。但是，不同种类的环氧树脂对粘结NdFeB磁体的性能影响很大。因此，针对不同的应用场景，作为粘结剂的环氧树脂的选择变得尤为重要。本文主要研究了两种不同种类的环氧树脂对粘结NdFeB磁体磁性能以及常温和高温下压溃力的影响，旨在为不同应用场景的粘结剂的选择提供理论和实验依据。

2.实验

2.1实验过程

将双酚A型环氧树脂记为A树脂，将线型酚醛环氧树脂记为B树脂，将上述两种环氧树脂按照相同比例溶于高纯度的丙酮溶液（大于99.5%）中。待环氧树脂彻底溶解后，加入相同比例的固化剂（使环氧树脂与固化剂的质量占磁体质量的2%）溶于环氧树脂和丙酮的混合溶液，搅拌均匀后，加入NdFeB磁粉。使用小型湿法真空混合搅拌机混练均匀，干燥筛分后获得混胶粉。用NIM-2000永磁测量仪测试样品的磁性能，样柱尺寸为10×10（mm）。利用干粉压机压制成（19.0-15.0）*25（mm）的磁体产品，磁体固化后利用MTS E44材料试验机测试产品常温和高温下的压溃力。使用TESCAN VEGA3 SBH扫描电子显微镜对磁体形貌进行研究。

3. 结果和讨论

3.1 磁性能

粘结NdFeB磁体由三相组成：磁粉、粘结剂和空洞。因粘结剂和空洞是非磁性的，所以磁体的剩磁取决于磁粉的剩磁和体积分数。

式中，V为磁体体积，Vp为磁粉体积，mp为磁粉质量，d为样品密度，dp为磁粉密度，ω为粘结剂在磁体中所占质量百分数。由此公式可以得出，在ω，dp一定时，d样品密度越大，Br越高。

表1列出了两种环氧树脂制备而成的粘结NdFeB磁体样柱的磁性能，在同样磁粉粒度，相同粘结剂比例的情况下，A树脂的样柱剩磁Br=735mT和磁能积（BH）max=90.0kJ/m3，比B树脂的样柱Br=724mT和（BH）max =87.1 kJ/m3要高，这主要是因为样柱密度A树脂的6.35g/cm3要大于B树脂的6.26g/cm3，所以A树脂相应的剩磁Br和磁能积（BH）max高。

3.2 高温减磁

图1是两种环氧树脂混胶粉标准样柱在120℃下测试的高温减磁的数据。由图1可以看出，B树脂的高温减磁情况要明显优于A树脂。

这可能是因为B树脂是线型酚醛环氧树脂，环氧基反应活性低于A树脂，但聚合度比A树脂更高，在混胶粉中，B树脂能在磁粉表面形成更均匀的包覆层，见图2（b）。相应地，在图2（a），树脂A存在一定程度的团聚（图中白色部分为团聚的树脂），树脂对磁粉的包裹均匀性不如树脂B。在压制成型工序中，包覆于磁粉表面的B树脂填充空隙的能力比A树脂更强，更好地避免磁粉与环境的接触而导致的氧化等不良反应，这两方面的优点使得B树脂高温减磁情况更优。

3.3磁体产品的固化条件优化

图3（a）和图3（b）是针对（19.0-15.0）*25的磁体产品在不同固化条件下常温压溃力测试，通过测试不同温度不同时间的产品的压溃力，来选出合适的固化条件。由图3（a）可见，综合考虑固化后产品的稳定性以及固化效率，A树脂磁体的最佳固化条件为180℃，60min。基于相同的考量，由图3（b）可知，B树脂磁体的最佳固化条件为190℃，60min。

3.4压溃力

从表2和图4可以得到A树脂磁体的常温强度要高于B树脂磁体。粘结磁体中粘结剂固化形成的交联网络框架是主要的承载基体，磁粉起补强作用【4】。A树脂通式见图5（a），环氧树脂单体末端的环氧基是主要的反应活性官能团，双酚A主链结构赋予树脂韧性和耐热性，羟基提供反应性和粘接性。环氧树脂固化物性能在固化反应的过程中由于构成交联网络而提高，粘接性也随之提高。另外，A树脂磁粉更容易压制，相同的压力条件下，密度更高，A树脂磁体的常温强度更高。B树脂磁体在高温下的压溃力要明显优于A树脂磁体， B树脂是线型酚醛环氧，通式见图5（b），由图可见B树脂含有较多刚性链段，耐热性更好，虽然有空间位阻效应阻碍，反应速率低于A树脂，但B树脂聚合程度更高，因此B树脂比A树脂软化点更高，固化产物的高温下力学性能更优越。同时B树脂的环氧值较A树脂的环氧值更高，环氧基含量更多，在固化剂与树脂发生交联反应时环氧基反应率更高，交联反应更彻底，交联密度更高【5】，因此固化产物力学性能有明显优势。综合以上两个方面分析，B树脂磁体的高温下的强度表现更好。

4.结论

1.双酚A型环氧树脂（A树脂）和线型酚醛环氧树脂（B树脂），其中使用A树脂的磁体更容易获得高密度，从而得到更高的常温磁性能。

2.线型酚醛环氧的磁体高温下的减磁要优于双酚A型环氧的磁体。这主要是因为线型酚醛环氧对磁粉的包覆性更好，包覆层更为均匀。

3.双酚A型环氧树脂磁体的常温强度要高于线型酚醛环氧树脂磁体。这可能是因为双酚A型环氧树脂中具有的羟基结构和更高的压制密度。线型酚醛环氧树脂因其含有更多刚性链段以及更高的环氧值，耐热性更好，磁体的高温强度要明显高于使用双酚A型环氧树脂生产的磁体。但同时线型酚醛环氧树脂在固化时也需要更高的温度。

参考文献：

【1】张虹，白书欣，赵恂等，粘结NdFeB磁体用粘结剂【J】.磁性材料及器件，2001，32（3）：14

【2】周寿增，董清飞. 超强永磁体—稀土铁系永磁材料（第2版）北京：冶金工业出版社 2004

【3】白书欣，李顺，张虹著. 粘结Nd-Fe-B永磁材料制造原理与技术 北京：科学出版社 2014

【4】白书欣，张虹，吕丽.高性能磁性复合材料—粘结钕铁硼磁体【J】.磁性材料及器件，2002，33（4）：24-27

【5】陈平，刘胜平，王德中，环氧树脂及其应用.北京：化学工业出版社 2021