金属永磁材料的研究和发展

金属永磁材料的研究和发展

【摘要】从首先回顾了金属永磁材料的近代发展历史，然后从磁学及固体理论的角度，根据晶体结构和优异磁性产生机制的不同，简要综述了AlNiCo系列永磁、Fe-Cr-Co系永磁、PtCo系和新型R-T-M金属间化合物等方面的研究现状。最后展望了新型高性能金属永磁材料的研究和应用前景。

【关键词】金属永磁材料；稀土永磁材料；新型R-T-M金属间化合物；纳米永磁材料

Research and Development of Metallic

Permanent Magnetic Materials

[Abstract]:The history of the development of metalic system permanent magnetic materials is reviewed.From the directions of magnetism and solid state theory，and based on the diferences of crystal structure and the generant mechanism of excellent magnetic properties,the research status of AlNiCo，Fe-Cr-Co，PtCo system and novel R-T-M intermetallies is reviewed.At last，the research and application prospects of new high performance metallic permanent magnetic materials are given．

[Key words]:metallic permanent magnetic materials;rare earth permanent magnetic materials;novel R-T-M intermetallies;nano-composite permanent magnetic materials

引言

金属永磁材料的发展始于20世纪初，之后得到了广泛的研究和应用，主要有Al-Ni-Co系铸造磁体、Fe-Cr-Co，PtCo以及发展最为迅速的稀土永磁材料等。高性能金属永磁体作为实现节能、环保这一重要时代主题的关键功能材料，具有使机械能与电磁能相互转换的功能。利用其能量转换功能和磁的各种物理效应(如磁共振效应、磁力学效应、磁化学效应、磁生物效应、磁阻效应和霍尔效应等)可将金属永磁材料做成各种形式的永磁功能器件。人们通常根据应用领域中的实际需求(如耐氢、可加工、力学特性和高性能等)来选择不同特性的金属永磁材料作为应用和研究对象。随着金属永磁材料在空天飞行、计算机、石油开采、电动汽车、新能源和通讯等高科技领域的广泛应用，对高性能金属永磁材料探索和开发成为各国磁性材料工作者的长期研究热点[1]。最近，世界主要科技强国(如日本、美国等)都调整并加快了高性能或新型稀土永磁材料的研究进度。尤其是美国，2008年启动了500万美元的磁能积大于或等于717 kJ/m3的新型永磁材料研究项目，从而推动并掀起了新一轮研究热潮。

1 永磁材料

具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁，一经磁化即能保持恒定磁性的材料。又称硬磁材料。实用中，永磁材料工作于深度磁饱和及充磁后磁滞回线的第二象限退磁部分。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。

1.1 铝镍钴系永磁合金

以铁、镍、铝元素为主要成分，还含有铜、钴、钛等元素。具有高剩磁和低温度系数，磁性稳定。分铸造合金和粉末烧结合金两种。20世纪30～60年代应用较多，现多用于仪表工业中制造磁电系仪表、流量计、微特电机、继电器等。

1.2 铁铬钴系永磁合金

以铁、铬、钴元素为主要成分，还含有钼和少量的钛、硅元素。其加工性能好，可进行冷热塑性变形，磁性类似于铝镍钴系永磁合金，并可通过塑性变形和热处理提高磁性能。用于制造各种截面小、形状复杂的小型磁体元件。

1.3 永磁铁氧体

主要有钡铁氧体和锶铁氧体，其电阻率高、矫顽力大，能有效地应用在大气隙磁路中，特别适于作小型发电机和电动机的永磁体。永磁铁氧体不含贵金属镍、钴等，原材料来源丰富，工艺简单，成本低，可代替铝镍钴永磁体制造磁分离器、磁推轴承、扬声器、微波器件等。但其最大磁能积较低，温度稳定性差，质地较脆、易碎，不耐冲击振动，不宜作测量仪表及有精密要求的磁性器件。

1.4 稀土永磁材料

主要是稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料。前者是稀土元素铈、镨、镧、钕等和钴形成的金属间化合物，其磁能积可达碳钢的150倍、铝镍钴永磁材料的3～5倍，永磁铁氧体的8～10倍，温度系数低，磁性稳定，矫顽力高达800千安／米。主要用于低速转矩电动机、启动电动机、传感器、磁推轴承等的磁系统。钕铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，其剩磁、矫顽力和最大磁能积比前者高，不易碎，有较好的机械性能，合金密度低，有利于磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化。但其磁性温度系数较高，限制了它的应用。

1.5 复合永磁材料

由永磁性物质粉末和作为粘结剂的塑性物质复合而成。由于其含有一定比例的粘结剂，故其磁性能比相应的没有粘结剂的磁性材料显著降低。除金属复合永磁材料外，其他复合永磁材料由于受粘结剂耐热性所限，使用温度较低，一般不超过150℃。但复合永磁材料尺寸精度高，机械性能好，磁体各部分性能均匀性好，易于进行磁体径向取向和多极充磁。主要用于制造仪器仪表、通信设备、旋转机械、磁疗器械及体育用品等。

2 AlNiCo系列永磁合金

上世纪30年代，AlNiCo永磁合金的发现是永磁材料发展史上的一个重要里程碑，70年代以前一直处于永磁材料的领先地位。但由于该合金含有昂贵的战略物资Ni和Co，特别是70年代发生的Co危机及60年代末和70年代初高性能稀土永磁材料的发现，使其应用受到很大冲击。如1972年．AlNiCo永磁体占磁体工业的40％，而1982年则降至7％。

根据磁性能使用要求的不同，相继开发了AlNiCo2、AlNiCo5和AlNiCo8等合金系。这些合金中。Al含量和Ni含量基本保持不变，而Co含量逐渐增加，分别为l3%、24%和34%左右。其中AlNiCo5具有较高的Br值，该值可达1.3-1.45T，应用最为广泛，其次为具有高磁能积的AlNiCo8合金。提高Co含量及添加5%-9%左右的Ti可以增加合金的各向异性，提高矫顽力。柱状晶AlNiCo8合金经磁场热处理后，磁性能目前是AlNiCo系合金中最高的，其Br达到1.17 T，Hc为125 kA/m，(BH)max达107.5kJ／m3。尽管AlNiCo合金含有战略物资元素、价格较昂贵、脆性大、不易变形和难加工，但因具有其它永磁合金难以比拟的磁稳定性和很小的可逆剩磁温度系数及优异的综合性能，应用仍相当广泛。1985年，全世AlNiCo的产值为15亿美元，占整