钕铁硼永磁因其优异的磁性能而被广泛应用于新能源汽车电机和风力发电机当中，这些应用要求磁体在150℃以上的温度运作。电机的转速和功率不断提升对永磁材料的热稳定性也提出了更高的要求。目前，提升钕铁硼永磁的热稳定性主要有两个方法：首先，在钕铁硼磁体中引入昂贵的重稀土Tb和Dy，提高磁体的矫顽力和高温稳定性。其次，电机高速运行过程中，变频供电产生的不同形式的谐波在永磁体内产生涡流损耗是永磁体快速升温的主要原因，可见提升磁体的电阻率亦可有效降低温升。因此，如果能同步提升钕铁硼磁体的矫顽力和电阻，将进一步推动其在高功率电机中的应用。

杭州电子科技大学张雪峰教授团队赵利忠研究员联合华南理工大学刘仲武教授团队在前期工作( Adv. Funct. Mater. 32 (2022): 2109529)中提出了一种多稀土协同晶界扩散的方法，利用稀土元素在晶界扩散过程中迁移趋势不同的特点，在TbCu扩散剂中引入了丰量稀土La、Ce，并利用其协同作用大幅提升了Tb元素的扩散深度并助推其进入主相形成更均匀的核壳结构，在降低扩散剂成本的同时提升磁性能。

基于这一扩散原理，近期他们在TbAlCu扩散剂中引入了取代能较高的稀土Pr。发现Pr元素在扩散过程中偏聚于晶界并有助于提升Tb元素的扩散效率，采用Tb₃₅Pr₃₅Al₁₀Cu₂₀扩散后磁体矫顽力提升了816 kA/m，远高于Tb₇₀Al₁₀Cu₂₀的621 kA/m。同时由于稀土Pr与O原子具有较好的化学亲和性，Pr的扩散导致晶界中形成了大量电阻率较高的氧化物，磁体的电阻率提升至2.6× 10^-6Ωm，高于Tb₇₀Al₁₀Cu₂₀的1.72×10^-6 Ωm，成功通过晶界扩散工艺实现了磁体矫顽力和电阻同步提升。进一步通过有限元分析方法建立了永磁电机的三维模型，在6000转/min的工况下模拟发现：PrTbAlCu扩散磁体相比于TbAlCu扩散磁体的涡流损耗降低32.2%；同时，当电机工作温度从20℃上升至120℃时，装配PrTbAlCu扩散磁体电机的输出功率和扭矩分别只降低了11.0%和9.2%，大幅提升了高功率电机中磁体的热稳定性，并为晶界扩散剂的设计提供了一种新的思路。相关研究成果以“Simultaneous enhancement of coercivity and electric resistivity of Nd-Fe-B magnets by Pr-Tb-Al-Cu synergistic grain boundary diffusion toward high-temperature motor rotors”为题发表在《Journal of Materials Science & Technology》上。其中杭州电子科技大学赵利忠研究员为通讯作者，华南理工大学何家毅博士和胡锦文为共同第一作者，杭州电子科技大学贾镐阳、刘孝莲副研究员、张振华副研究员、文林和张雪峰教授以及华南理工大学周帮、钟喜春教授、余红雅副教授和刘仲武教授也参与了该工作。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.03.001

图1. 不同扩散物扩散磁体和元素磁体的(a)退磁曲线图，(b) M-T曲线，(c)和(d) 20-150℃矫顽力和剩磁随温度变化图，(d) 电阻率随温度变化图，(f) 扩散磁体电阻与矫顽力增量与文献数据对比图。

图2. (a)TbAlCu、(b)PrTbAlCu和(c)PrAlCu的扩散样品表面不同深度区域的横截面BSE图像，(d) TbAlCu和PrTbAlCu扩散磁体中不同扩散深度下Tb含量和晶粒大小的变化图。

图3. TEM观察PrTbAlCu扩散样品150微米深度的核壳结构：(a)STEM图像和富Tb壳的选取电子衍射图，以及(b)元素mapping图。(c) 富含Tb壳层的球差电镜高分辨率图像和2:14:1晶粒的示意图。(d)不含Tb核心和(e)富含Tb壳层的原子级mapping图。

图4. 不同扩散物晶界扩散磁体洛伦兹TEM菲涅尔图像：(a)TbAlCu，(b)PrTbAlCu和(c) PrAlCu扩散磁体。(d)PrTbAlCu扩散磁体在-2000至2000Oe的磁场下的原位洛伦兹TEM图。

图5. (a1)初始磁体、TbAlCu、PrTbAlCu和PrAlCu扩散磁体在20°-50°范围内的XRD图，(a2)28°-31°的放大图，(b) 不同磁体晶界相的面积分数随扩散深度的变化，(c1) 四方Nd₂Fe₁₄B晶胞的示意图（P42/mnm，a = b = 0.875 nm, c = 1.210 nm），(c2) Tb和Pr取代Nd4f和4g晶位的取代能。

图6. 不同扩散物磁体的EPMA图（a）原始磁体，（b）TbAlCu扩散磁体，（c）PrTbAlCu扩散磁体和（d）PrAlCu扩散磁体。

图7. (a1, a2) TbAlCu、(b) PrTbAlCu和(c1-c3) PrAlCu扩散磁体150微米深度的TEM图。

图8. 在PrTbAlCu扩散磁体(a1-a3)中心部分和扩散深度150μm处(b1-b3)的PFM图。(a1, b1)形貌图，(a2, b2)电流分布图，(a3, b3)是沿(a2, b2)中白色虚线的相应电流图。

图9、（a）稀土永磁电机模拟的三维模型，（b）不同扩散物扩散和原始磁体的涡流损耗分布图（c）涡流损耗随时间的变化和（d）装备磁体后电机在20℃和120℃的输出功率和扭矩对比。