聯系我們  |  網站地圖  |  English   |  移動版  |  中國科學院 |ARP
站內搜索:
首頁 簡介 管理部門 科研部門 支撐部門 研究隊伍 科研成果 成果轉化 研究生教育 黨建與創新文化 科普 信息公開 OA系統
科技信息
中國光學十大進展|每秒4...
SICK推出新型超緊湊型安全...
6個加工案例解析準連續光...
科學家馴服電子束,用“甜...
紀念世界第一臺激光器制造...
LITHOZ 3D打印航空發動機...
2030年陶瓷3D打印市場將達...
用于3D打印的新型柔性壓電...
俄羅斯用于密封“聯盟號”...
中俄科研機構開展太空物理...
俄物理學家發現了一種新的...
華科大:4D打印材料組合,...
突破:大幅提高光固化3D打...
我國科學家發現零溫極限下...
歐盟24個成員國共同開展量...
現在位置:首頁>新聞動態>科技信息
永磁材料的“前世今生”
發布時間: 2020-05-13 11:44 | 【 【打印】【關閉】

  一、磁性材料為何物 

  磁性是物質的基本屬性,一切物質都有磁性。這是由于物質內部的電子運動和自旋會產生一定大小的磁場,故會有強弱不等的磁性。任何材料在磁場的作用下都會被磁化,并產生一定特征的磁性,即物質磁化率(X)的大小。何謂磁化率?就是材料在磁場作用下,磁化強度(M)與磁場強度(H)的比值:X=M/H。

  二、永磁材料的“前世今生” 

  1.永磁材料的“前世” 

  通常將一經磁化即能保持恒定磁性的材料,稱為“硬磁材料”即永磁材料。其具有寬磁滯回線、高矯頑力和高剩磁。永磁材料工作于深度磁飽和及充磁后磁滯回線的第二象限退磁部分(見圖1)。對永磁材料而言,矯頑力(Hc)是核心問題,材料的飽和磁化強度(Bs)和各向異性常數(k)是永磁材料的關鍵參數,居里點(Tc)是材料的溫度穩定性標志。永磁材料大致可分為2類:一是一般永磁材料,如鋁鎳鈷(AlNiCo)、鐵氧體(鍶鋇及鎂錳鐵氧體等);二是稀土水磁材料,如釤系磁體(如SmCo5,Sm2Co17)及釹系磁體〔如釹鐵硼(NdFeB)〕。

 

 ?。▓D片來源:360百科)

  圖1 磁滯回線

  最早發現和使用的永磁材料是天然磁石,有4 000多年的歷史,它的化學成分是四氧化三鐵。最早的人造永磁材料是碳鋼。我國最早發明指示南北方向的天然磁石指南器,即古代辨識方向的儀器——司南,是長期的生產實踐中勞動人民對物體磁性認識后的智慧結晶。據近代考古學家猜測,司南是用天然磁石打磨成一個小磁勺,放置在一個光滑的盤上,盤上刻有詳細準確的方位,利用磁鐵的指南特性,以磁勺把的指向來辨別方向,司南就是現在指南針的始祖,但是至今并無考古實物出現。有趣的是,2017年中國科學院自然科學史研究所的助理研究員黃興經過多年刻苦專研和實地考察,終于在河北省張家口市龍煙鐵礦區內找到較高剩磁的天然磁礦石(見圖2),成功地制作出天然磁石勺“司南”(見圖3),且指示南北非常準確,具體研究制作過程詳見《天然磁石勺“司南”實證研究》一文,強有力地驗證了我國古代以天然永磁材料制作司南的可行性和其指南的真實性。

 

 ?。▓D片由中國科學院自然科學史研究所博士后黃興提供)

  圖2 天然磁石

 

  (圖片由中國科學院自然科學史研究所博士后黃興提供)

  圖3 中國科學院自然科學史研究所復原的司南

  我國古代使用永磁材料司南的文獻記載,最早見于春秋時的《鬼谷子》“鄭人取玉也,載司南之車”;戰國時的《韓非子·有度》“故先王立司南以端朝夕”;東漢時的《論衡》“司南之杓,投之地,其柢指南”??梢?,司南主要用于指南,以識別方向。后經多方面的實驗和研究,終于發明了更實用的指南針。最早的指南針是用天然磁體做成的,這說明我國很早就發現并認識到了天然磁石的特性。宋代已將指南針用于航海,見于《萍州可談》“舟師識地理,夜則觀星,晝則觀日,陰晦則觀指南針”。之后,我國關于永磁材料的研究再無突破性進展。

  磁性的系統研究始于英國吉學者吉爾伯特,他終生的職業是醫生,可是他興趣廣泛、知識淵博,在化學、物理學、醫學、天文學等方面都有涉獵,他主要研究領域是物理學,將閑暇的時間全部用于搞物理實驗。1600年出版了《論磁》,該書的結論是建立在他親自觀察與實驗的基礎之上,記錄了磁石的同性相吸異性相斥;磁針的南北指向性;燒熱磁鐵的退磁性等。他還發現了磁傾角,即當小磁針放在地球除南北之外的地方時,它有一個朝向地面的小小傾斜[[i]]。他還通過研究磁針與球形磁體的模擬試驗,進而發現了球形磁體的磁極,并大膽地斷定地球本身就是個大磁體,指出磁針的北極應是南極。此外,還定義了“磁軸”、“磁子午線”等。在《論磁》中,吉爾伯特提出:一個均勻磁石的磁力強度與其質量成正比[[ii]]??傊?,在磁學方面的研究,吉爾伯特的成就是不朽的,貢獻是偉大的。

  2.永磁材料的“今生” 

  永磁材料種類多、用途廣,主要經歷了金屬永磁材料、鐵氧體永磁材料和稀土永磁材料應用和發展3個階段。

  金屬永磁材料階段,其發展和應用較早,是以鐵和鐵族元素為重要組元的合金型永磁材料,又稱永磁合金。主要包括鋁鎳鈷(AlNiCo)和鐵鉻鈷(FeCrCo)系2類永磁合金。20世紀初,通過鑄造工藝制備而成,也稱鑄造永磁材料。1880年前后,先采用碳鋼制成了永磁材料,其最大磁能積(BHmax)約為1.6 kJ/m3。后發展為鎢鋼、鈷鋼等金屬永磁材料。1931年,日本研發出了鐵鎳鋁合金(Fe-Ni-Al),矯頑力超過400 Oe,后在此基礎上添加了鈷銅鈦(Co、Cu、Ti)等元素。通過在鐵中添加了鋁鎳鈷(Al、Ni 、Co)3種元素,經澆注和熱處理后得到鋁鎳鈷系磁鋼,即著名的AlNiCo磁體。從此,鋁鎳鈷磁鋼在永磁材料中占據了主導地位,一直到20世紀60年代。該材料磁能積較低,居里溫度很高(可高達890 ℃),溫度穩定性很好,磁感溫度系數很低,因此,在某些特殊器件上的使用至今無法取代,仍有穩定的市場需求。

  鐵氧體永磁材料階段,亦稱永磁鐵氧體,由氧化鍶(SrO)或氧化鋇(BaO)及三氧化二鐵(Fe2O3)為原料,通過陶瓷工藝的方法,經預燒、破碎、球磨、制粉、成型、燒結、機械加工制造而成。由于亞鐵磁性換言之,就是某些鐵離子磁矩相互反平行而具有永磁性能。當前市場主流的永磁鐵氧體為六角晶系的磁鉛石型鐵氧體,化學式為MO·6Fe2O3,其中M為鋇(Ba)、鉛(Pb)、鍶(Sr) 等元素。20世紀30年代,人們發現了鐵氧體永磁材料,40年代由菲利浦公司發明的。因原材料便宜、工藝簡單、價格低廉,在20世紀70年代發展迅速,產量躍居首位。

  稀土永磁材料階段,將釤、釹混合稀土金屬與過渡金屬(如鈷、鐵等)組成的合金,用粉末冶金方法壓型燒結,經磁場充磁后制得的一種磁性材料。包括:釤鈷(SmCo)永磁體、釹鐵硼(NdFeB)永磁體。SmCo磁體的磁能積在15~30 MGOe之間,NdFeB磁體的磁能積在27~50 MGOe之間,它們比磁鋼的磁性能高100多倍,是目前磁性最高的永磁材料,故稱“永磁王”。
  綜上所述,20世紀初,碳鋼、鎢鋼、鉻鋼和鈷鋼為主要使用的永磁材料。20世紀30年代末,AlNiCo永磁材料開發成功,永磁材料大行其道。50年代,鋇鐵氧體的出現,既降低永磁材料成本,又拓寬其應用范圍。60年代,稀土鈷永磁體的出現,則為永磁材料的應用開辟新紀元。

  三、何謂稀土永磁材料 

  1.稀土永磁材料的“今生” 

  1942-1945年,“曼哈頓工程”使稀土金屬的化學分離技術得到長足發展。1946-1952年稀土金屬的研究突飛猛進,并對不同的稀土元素對合金鋼的組織及機械性能影響的研究不斷深入,于是稀土被應用到永磁材料中。迄今為止,稀土永磁材料已經歷第1代SmCo5,第2代沉淀硬化型Sm2Co17,發展到第3代Nd-Fe-B永磁材料。

  第1代稀土永磁SmCo5合金,具有CaCu5型晶體六角結構,該結構使SmCo5化合物有較高的磁晶各向異性,沿c軸是易磁化方向。SmCo5具有很高的磁晶各向異性常數,其理論磁能積可達244.9 kJ/m3。其研究始于1959年,美國貝爾實驗室的Nesbitt對稀土-鈷(R-Co)金屬間化合物磁性能進行研究,主要是研究測量GdCo5磁性情況。1960年,美國海軍奧德南斯實驗室的Hubbard等人,發現GdCo5具有較強的磁晶各向異性。1967年,美國Dayton大學的Strnat等人,采用粉末冶金法制作出第1塊YCo5永磁體,最大磁能積為1 MGOe。之后,他們又用同樣的方法制備了SmCo5磁體,磁能積達到5.1 MGOe,標志著稀土永磁時代的開啟。1968年,荷蘭菲利普的Vege和Buschow等人制備出最大磁能積高達18.5 MGOe的SmCo5磁體,矯頑力為15.8 kOe,刷新了當時永磁材料磁能積的記錄。20世紀70年代,SmCo5永磁體已經實現商品化,因其含較多戰略金屬鈷和儲量較少的稀土金屬釤,原材料價格昂貴,故發展前景受限。

  第2代稀土永磁Sm2Co17合金,在高溫下是穩定的Th2Ni17型六角結構,在低溫下為Th2Zn17型的菱方結構。Sm2Co17是很理想的永磁材料,鐵部分取代Sm2Co17化合物中的鈷,所形成Sm2(Co1-xFex)17合金的磁化強度提高。當x=0.7時,Sm2(Co0.3Fe0.7)17合金的理論最大磁能積可達525.4 kJ/m3。1977年,Ojima等人用粉末冶金法研制Sm(Co,Cu,Fe,Zr)7.2永磁體,其最大磁能積(BH)max =238.8 kJ/m3(30 MGOe),這標志著第2代稀土永磁材料的誕生。目前,Sm(Co,Cu,Fe,Zr)7.2永磁體的最高磁能積已達到264 kJ/m3(33 MGOe)?;谄洫毺氐膬灹嫉拇欧€定性、高溫磁性能、優異的抗氧化及抗腐蝕性,仍被廣泛應用于航空航天、國防軍工、高端電機等領域。

  第3代稀土永磁釹鐵硼(NdFeB)合金,是稀土鐵系永磁材料的領跑者。1982年日本和美國共同研發的,1983年實現工業化批量生產。其主要成份由稀土元素如釹(Nd) 、鐵元素(Fe) 和硼元素(B)構成,稀土元素約占25%~35%,鐵元素約占65%~75%,硼元素約占1%。其分子式為Nd2Fe14B ,可根據實際需求改變其配比或添加其他元素來改善其性能。釹鐵硼是目前世界上磁能積最高的永磁材料,被譽為“現代永磁之王”。釹鐵硼稀土永磁體誕生,是永磁材料領域一次革命性的變革,具有劃時代的意義。

  2.我國稀土永磁材料的“趕超” 

  我國的永磁材料的發展主要是通過仿制實現的,主要品種的研制均晚于國外,如鋁-鎳-鈷,我國于1947年開始試制生產,比日本晚16年;鐵氧體永磁比國外晚10年;鐵-鉻-鈷晚10年;我國稀土鈷研制始于70年代,比國外至少晚了5年;釹鐵硼永磁的研制和生產比日本和美國晚l~2年[[iii]]。但是我國永磁材料發展速度非???,如鐵氧體永磁的產量,在1975年后幾乎每5年翻一番,目前在世界上已名列前茅。

  我國稀土永磁材料雖起步于20世紀60年代末,但是我國稀土資源豐富,稀土永磁材料研制和生產神速。早期釤鈷永磁是主導產品,主要用于軍工方面。1983年第七屆國際磁學會議后,釹鐵硼的研制更是異軍突起,在這次會上,日本住友公司金子秀夫教授宣布:他們發明了第3代稀土永磁材料,其磁能積高達36 MGOe,是一種稀土釹鐵合金材料。當時,我國材料科學家謝宏祖*提問:“先生,釹鐵是組不成合金的,還有什么元素?”日本的金子秀夫教授笑而不答。最后在美國物理學會第29次磁學與磁性材料年會上揭曉答案:Nd15Fe77B8,我們知道更精確的成分應該是Nd2Fe14B。這一“爆 炸性”新聞激發了我國謝宏祖團隊的干勁,他們采用在低氧工藝實驗室研制出最大磁能積為52.2 MGOe的釹鐵硼永磁材料,達到當年世界最高水平。

  1987年,我國釹鐵硼進入規?;a階段,包頭稀土研究院建立了我國第1條釹鐵硼磁體中試線,國家投資200萬美元購進日本真空3大主體設備,年產40 t釹鐵硼磁體專為國防軍工之需。1990年,我國釹鐵硼產量為180 t,而日本達1 170 t。1993年,北京中科三環高技術股份有限公司購買了日本住友公司和美國通用汽車公司的專利許可權,成為國內第1家擁有釹鐵硼產品銷售專利許可權的磁體企業,目前是國內最大的燒結釹鐵硼磁體生產商。2001年,我國燒結釹鐵硼產量占世界的50%。2015年的產量為12.6萬 t占全球的80%。除了歐洲和日本外,我國幾乎集中了所有釹鐵硼磁體生產企業。

  四、結語 

  近些年,稀土永磁材料在現代工業和高新技術領域中的應用范圍不斷擴大,它作為永磁材料中的最新和最高磁性能的材料。目前已滲透到核磁共振成像儀、風力發電機、汽車、音響設備、電子儀表、微特電機、家用電器、移動電話等方方面面。一個永磁高新技術應用的新時代正向我們奔來,我國的稀土磁性產業將更加輝煌燦爛。

  *謝宏祖1938年12月出生,甘肅省甘谷縣人,1962年7月蘭州大學物理系磁學專業畢業,現任冶金部包頭稀土研究院教授級高級工程師,長期從事稀土永磁材料的研究和開發工作。

    文章來源:新材料、新材料產業

版權所有 中國科學院上海硅酸鹽研究所 滬ICP備05005480號-1
長寧園區地址:上海市長寧區定西路1295號 電話:86-21-52412990 傳真:86-21-52413903 郵編:200050
嘉定園區地址:上海市嘉定區和碩路585號  電話:86-21-69906002 傳真:86-21-69906700 郵編:201899
小鲜肉赚钱多少 上海十一选五一定牛 快三压大小单双技巧 快三倍投必死 免费股票软件下载 内蒙快3综合走势图 山西省体彩11选五 极速11选5骗局 江西时时彩官网 北京快3一定牛基本走势 甘肃快3走势图今天快3遗漏