金属功能材料的几个最新发展动向

Latest Development Trend in Metal Functional Materials
Wang Xinlin
(Central Iron & Steel Research Institute , Beijing 100081)
ABSTRACT A brief introduction on t he development of metal functional materials and t he trend in t he lastest research and development is given , including t he research and development at home and abroad , such as nanocrystalline material , bulk amorphous alloy , magnetic shape memory alloy , vaccum quenched material , etc. Comments on prospect of research , development and application are made. KEY WORDS metal functional material , bulk amorphous alloy , magnetic shape memory alloy , vaccum quenched mate2 rial
金属软磁材料是一类重要功能材料 ,电工钢合 金在磁性材料中一直占有产量 、产值和应用的主导 地位〔3～4〕。目前全世界电工钢年产量约 650 万 t , 1999 年我国电工钢又有重要发展 ,年产量达到 89 万 t ,其中冷轧电工钢 35 万 t ,取向电工钢 10 万 t 。 但是 ,电工钢年进口量仍约为 42 万 t 。
稀土永磁合金主要是指 1967 年开发的 Sm2Co 1∶5 型 、1973 年开发的 2∶17 型和 1983 年以来开发 的 NdFeB 系合金 。其科研 、生产和应用都一直以高 速发展 。据统计 ,我国 1999 年的钕铁硼稀土永磁材
料产量达到了 5300t 左右 。 非晶和微晶 (纳米晶) 合金 ,美国联信公司建立
钢铁研究总院通过五年研究工作 ,对磁性液体 材料的构造 、特性 、研究方法和手段积累了宝贵的技 术经验 。所制造的磁性液体的饱和磁感应强度达到 01123 T(1230 G) ,已经在磁密封等方面获得多种应 用〔15〕。
(2) 纳米晶软磁合金 。作为纳米晶材料 ,钢铁研 究总院已经研究和建设成功年产 1000t 纳米晶软磁 合金的生产线 。2000 年的产量已经达到 2500t 。日 本 1987 年发明了纳米晶软磁 Finmet 合金〔16〕,Hale Waihona Puke Baidu国 在 1990 年开始小批量供货 ,并在电子和电力电子方 面应用打开了新局面 ;最近 ,我国非晶合金在逆变电 焊机 、互感器 、通信应用方面有重要进展 ,具有中国 的鲜明独创特色 。
纳米材料的制备方法有多种 :制造纳米材料的 主要方法有气相法 (蒸发法 、溅射法 、气相沉积法 等) ,液相法 (快淬法 、雾化法 、化学法) 和表面修饰 。 而研究纳米材料的观测分析设备 ,主要是可以直接 观察原子的原子力显微镜和可以直接观察和操作安
排分子和原子的扫描电子隧道显微镜 STM 等精密 仪器 (横向分辨率 011nm ,纵向分辨率 0101nm) 。 212 纳米技术和材料的新发展 ———磁记录应用
1 前 言
金属功能材料按性能分主要包括磁性、电性 、力 学 、声学 、热学 、光学 ,化学 、生物功能材料和特种功 能材料 。无论在中国还是全世界 ,功能材料都越来 越显得重要并作为发展重点 ,西方发达国家和我国 都越 来 越 重 视 功 能 材 料 的 研 究 、开 发 和 生 产 应 用〔1～2〕。
摘 要 简述了金属功能材料的发展概况 ,对近期研究开发的新动向进行了简介 ,包括国内外研究发展和作者本 单位的工作 ,如纳米晶材料 、大块非晶态合金 、磁性形状记忆合金 、真空快淬材料等 。对研究和应用发展前景提出 了几点看法 。 关键词 金属功能材料 大块非晶 磁性形状记忆合金 真空快淬材料 中图分类号 TB34 ; T G132 文献标识码 A 文章编号 1005 - 8192 (2001) 01 - 0001 - 08
1999 年 7 月 ,由美国加里福尼亚大学和惠普公 司合作研究成功 100nm 芯片 ,1998 年 ,由美国明尼 苏达大学和普林斯顿大学制备成功量子磁盘 ,密度 达到 1011 bit/ in2 ,美国商家认为 2005 年市场可以达 到 400 亿元 。
1988 年法国巴黎大学的肯特教授首先在 Fe/ Cr 多层膜中发现了巨磁电阻效应 ,美国 、日本和西欧投 入很大力量进行研究开发 。1994 年 IBM 公司首先 研制成功巨磁电阻效应的读出磁头 ,磁电子器件具 有巨大的市场和高科技所带来的高利润 。现在 ,仅 巨磁电阻效应高密度读出磁头的市场就达到 10 亿 美元 ,已经大规模工业生产 ,磁存储器的市场预计为 1000 亿美元 。 213 纳米晶稀土永磁材料的最新进展 ———最大磁 能积 55814kJ/ m3( 86198MGOe)
2 纳米材料和技术
211 新材料 ,新概念 ,新技术 纳米材料包括纳米颗粒材料 、纳米晶粒材料和
纳米复合材料 。纳米是一个尺度的度量 ,定义为 1 ×10 - 9 m ,术语使用起始于 1974 年 (日本) ,以“纳 米”命名材料起始于 20 世纪 80 年代 ,颗粒或晶粒大
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卷 第 01年
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期 月
金属功能材料
Metallic Functional Materials
Vol. 8 , February
No . 1
, 20101
金属功能材料的几个最新发展动向
王新林
(钢铁研究总院 北京 100081)
我国在纳米材料与技术研究方面已作出了具有 国际影响的工作 ,在一些前沿领域和基础研究方面 取得了重要突破和进展 ,一些院校 、研究单位和企业 在应用开发方面也取得了令人瞩目的科研成果 ,而 且部分成果已经产业化 。钢铁研究总院早在 60 年 代就研制出了金属超微粉 (实际上就是纳米晶金属 粉末) ,并且在军工上得到应用 。最近 ,在纳米晶金 属功能材料方面又有新的重要进展 。
(1) 磁性液体 。作为纳米颗粒材料 ,钢铁研究总 院已经完成了 863 课题 ———纳米晶氮化铁磁性液体 的研制 。磁性液体 ,又称铁磁流体 。它既有一般磁 体的磁性 ,又具有液体的流动性 ,它是由纳米级的磁 性颗粒通过表面活性剂均匀地分散在载液中形成稳 定的胶体体系 。磁性液体的基本磁性参数是 4πM s ( Gs) 。磁性液体是一种稳定的胶体体系 ,因此即使 在重力 、离心力或强磁场的作用下磁性液体也不产 生分离现象 ,磁性颗粒不析出 、不团聚 。磁性液体是 1965 年美国宇航局为解决太空服头盔转动密封问 题而率先研究成功的 。当时采用球磨法 。它的问世 引起了国际磁学界的密切关注 ,各国竞相开展深入 研究 。现在无论在基础研究还是在实际应用上都取 得了令人瞩目的进展 。1977 年在意大利举行了第 一届国际磁性液体学术研讨会 ,以后每三年举行一 次 。迄今为止已举办了七届 。国外在七十年代磁性
3 稀土功能材料
稀土功 能 材 料 主 要 包 括 稀 土 永 磁 材 料〔17～18〕、
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第 1 期 王新林 :金属功能材料的几个最新发展动向
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液体材料已商品化 ,已在航天航空 、冶金机械 、化工 环保 、仪器仪表 、医疗卫生 、国防军工等领域获得广 泛应用 。据不完全统计 ,现在各国每年应用这种功 能材 料 的 元 器 件 数 量 已 达 数 千 万 件 。美 国 早 在 1968 年就成立了磁性液体公司 。日本预测到 2000 年 ,本国磁性液体领域的产值可达 117 亿美元 。
了年产 6 万 t 非晶带材的生产厂〔5〕。我国先后将其 列为国家“六五”、“七五”“八五”和“九五”科技攻关 重点项目 。已取得的有关科研成果约 200 项 。钢铁 研究总院已可生产宽 100～220mm 的非晶带材 ,建 起了年产千吨的能力 , 年产纳米晶软磁合金带材 250t 。
最近 ,又有一些新型功能材料得到了重要发展 , 如纳米材料〔6〕、稀土功能材料〔7〕、大块非晶材料〔8〕、 真空快淬材料〔9〕、磁性形状记忆合金〔10〕等 。
2000 年 4 月 14 日以来 ,日本“工业新闻”等报刊
对日本三荣化成 (Sanel Kasei) 株式会社所开发的新型 稀土永磁进行了报道〔13～14〕。该公司把铁粉制造成针 状 ,金属钕用氢化法粉碎 ,在铁粉上附着钕 ,在磁场中 成型烧结 ,脱去粘结剂 ,在真空中烧结 ,制造成各向异 性磁体。经美国高能磁场实验室测定 ,最大磁能积达 到 55814kJ/ m3 (6918M GOe) ,超过了 Nd2 Fe14B 最大磁 能积的理论最大值 512kJ/ m3 (64M GOe) 。直到目前 , 所有稀土永磁材料都是通过减少非磁性物质来提高 最大磁能积 ,而该材料是通过生成非磁性氧化物来实 现纳米结构化。因此 ,国内外有些专家表示疑问和不 解。但是 ,该公司称 ,已经大阪大学、东北大学和千叶 工业大学检测分析 ,与一般钕铁硼磁体的形核机制不 同 ,矫顽力机制为畴壁钉扎。三荣化成株式会社还 称 ,可 以 生 产 三 种 磁 体 : 最 大 磁 能 积 为 440kJ/ m3 (55M GOe) 的 烧 结 磁 体 ; 最 大 磁 能 积 为 200kJ/ m3 (25M GOe) 的 粘 结 磁 体 ; 最 大 磁 能 积 为 144kJ/ m3 (18M GOe) 的注射成型磁体。而且 ,日本志村化工公 司已经投资 30 亿日元 ,建设月产 50t 的生产线 ,其产 品将于 2001 年投放市场。 214 我国的纳米颗粒和纳米晶材料
2
金属功能材料 2001 年
小在 100nm 之内 。纳米颗粒材料主要指颗粒粒度 大小在 100nm 之内的材料 ,过去常称为超微粉 ,而 纳米晶粒材料则常称为纳米带材和纳米块体 ,纳米 复合材料还包括多层膜等〔11〕。
根据纳米材料发展趋势以及它在 21 世纪高技术 发展中所占有的重要地位 ,世界发达国家的政府都在 部署未来 10～15 年有关纳米科技研究规划〔12〕。美 国国家先进技术研究部 (DARPA) 的几个计划里把纳 米科技作为重要研究对象 ;日本近 15 年来制定了各 种计划用于纳米科技的研究 ,纳米科技投资 1128 亿 美元 ;德国科研技术部帮助联邦政府制定了 1995 年 到 2010 年 15 年发展纳米科技的计划 ;英国政府出巨 资资助纳米科技的研究 ;1997 年西欧投资 112 亿美 元。纳米材料应用潜力引起美国政府的注意 ,决定加 大投资 ,今后 3 年经费资助从 215 亿美元增加至 5 亿 美元。1999 年开始 ,美国政府决定把纳米技术研究 列入 21 世纪前 10 年前 11 个关键领域之一“, 美国商 业周刊”在掌握 21 世纪可能取得重要突破的 3 个关 键领域之一。专家预测 2001 年的市场能达到 14400 亿美元 ,应用远远超过计算机工业。