关于磁性材料的发展研究综述

关于磁性材料的发展研究综述关键词：磁性材料、钕铁硼永磁材料、纳米磁性材料、磁电共存、应用及前景摘要：磁性材料，是古老而用途十分广泛的功能材料，与信息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济的方方面面紧密相关。

人们对钕铁硼永磁材料的研究和优化，是磁性材料进一步发展，并逐渐深入到纳米磁性材料的研发和研究……关于磁性材料的研究发展综述一、磁性材料简介实验表明，任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。

根据物质在外磁场中表现出的特性，物质可分为五类：顺磁性物质，抗磁性物质，铁磁性物质，亚磁性物质，反磁性物质。

根据分子电流假说，物质在磁场中应该表现出大体相似的特性，但在此告诉我们物质在外磁场中的特性差别很大．这反映了分子电流假说的局限性。

实际上，各种物质的微观结构是有差异的，这种物质结构的差异性是物质磁性差异的原因。

我们把顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质，把铁磁性物质称为强磁性物质。

通常所说的磁性材料是指强磁性物质。

磁性材料按磁化后去磁的难易可分为软磁性材料和硬磁性材料。

磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料，不容易去磁的物质叫硬磁性材料。

一般来讲软磁性材料剩磁较小，硬磁性材料剩磁较大。

二、磁性材料分类磁性是物质的一种基本属性。

实验表明，任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。

物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。

铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质，抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质。

磁性材料按性质分为金属和非金属两类，前者主要有电工钢、镍基合金和稀土合金等，后者主要是铁氧体材料。

按使用又分为软磁材料、硬磁材料和功能磁性材料。

功能磁性材料主要有磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等，反映磁性材料基本磁性能的有磁化曲线、磁滞回线和磁损耗等。

1、软磁材料软磁材料亦称高磁导率材料、磁芯材料，对磁场反应敏感，易于磁化。

大体上可分为四类：①合金薄带或薄片：FeNi(Mo)、FeSi、FeAl等。

②非晶态合金薄带：Fe基、Co基、FeNi基或FeNiCo基等配以适当的Si、B、P和其他掺杂元素,又称磁性玻璃。

磁介质（铁粉芯）:FeNi(Mo)、FeSiAl、羰基铁和铁氧体等粉料，经电绝缘介质包覆和粘合后按要求压制成形。

④铁氧体：包括尖晶石型──M O·Fe2O3 (M代表NiZn、MnZn、MgZn、Li1/2Fe1/2Zn、CaZn等),磁铅石型──Ba3Me2Fe24O41(Me代表Co、Ni、Mg、Zn、Cu及其复合组分)。

2、硬磁材料硬磁材料，又称永磁材料，不易被磁化，一旦磁化，则磁性不易消失。

目前使用的永磁材料答题分为四类：①阿尔尼科磁铁：其构成元素Al、Ni、Co（其余为Fe），是强磁性相α1在非磁性相α2中以微晶析出而呈现高矫顽力的材料，对其进行适当处理，可增大磁积能。

②铁氧体永磁材料：以Fe2O3为主要成分的复合氧化物，并加入钡的碳酸盐。

③稀土类钴系磁铁：含有稀土金属的钴系合金，具有非常强的单轴磁性各向异性。

④钕铁硼系稀土永磁合金：该合金采用粉末冶金方法制造，是由④Nd2Fe14B、 Nd2Fe7B6和富Nd相（Nd-Fe，Nd-Fe-O）三相构成，其磁积能是目前永磁材料中的最高纪录。

三、磁性材料的应用由于磁体具有磁性，所以在功能材料中备受重视。

磁体能够进行电能转换（变压器）、机械能转换（磁铁、磁致伸缩振子）和信息储存（磁带）等。

磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。

由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5～5 微米），又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。

主要用于高频电感。

磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。

软磁材料的矫顽力很小，磁导率很大，大量应用于变压器、发动机，电动机等，另外，磁记录中的磁头材料、磁屏蔽材料也是软磁材料。

铁是最早使用的磁芯材料，在电子器件中友很多应用。

16%铝铁合金的磁致伸缩系数小，磁导率和电阻率大，适用于做交流磁芯材料；其耐磨性良好，可用于磁头材料。

铁硅铝合金的磁性可以与坡莫合金相媲美，且硬度高（500HV）、韧性低、易粉碎，一般作为压粉磁芯在低频下使用。

高速电机中的铁芯和电力系统的可控硅整流器的扼流圈，要求饱和磁束密度大、在高频范围内仍保持很高的有效导磁率、损耗小的铁芯，为此开发了粉末铁芯，即用有机物将铁粉粘合压制成粉末铁芯，同时铁粉被有机物一个一个的隔绝起来。

永磁材料主要用于各种旋转机械（如发电机、电动机）、小型音响机械、继电器、磁放大器以及玩具、保健器材、装饰品、体育用品等。

其中，铁氧体由于是氧化物，因而耐化学腐蚀，磁性稳定。

但其温度的稳定性低于阿氏磁铁，故不适用于精密仪器，此外，其承受机械冲击和热冲击能力较弱。

但铁氧体的制造工艺成熟、成本低廉，所以是用量最大的永磁材料（占90%以上）。

钕铁硼永磁合金的磁积能是目前永磁材料中的最高纪录，因此钕铁硼永磁合金显示了许多极优异的性能，如用于计算机磁盘驱动器，可做到体积小、磁能大，有助于提高速度和功率，其用途可见下表：四、钕铁硼永磁材料制备工艺优化和性能研究钕铁硼永磁体是当今磁性能最强、性价比最优的永磁材料,自1983年问世以来,其产业得到迅猛发展,广泛应用于国民经济的各个领域。

随着钕铁硼永磁材料等新型稀土材料市场的高速增长,刺激了稀土行业的快速发展,导致稀土生产规模和能力远大于稀土的消费能力,各稀土元素应用极不平衡,致使企业运行风险加大,影响稀土产业的健康发展。

因此,要加快这些稀土元素的应用开发,寻找新的应用领域,保持稀土元素的消费平衡。

通过研究采用廉价、相对生产过剩的钆、钇部分代替传统工艺中的钕镨、镝铽等稀土元素制备新型钕铁硼永磁材料是可行的。

通过优化生产工艺,制备高性能的钕铁硼永磁材料,并用扫描电镜和粒度分布仪器分别测试了材料的显微结构和颗粒的尺度分布,材料的磁性能用AMT-4磁性材料检测仪器检测。

在制备工艺中,通过对比HD工艺和传统工艺的区别,并测试钕铁硼永磁材料在不同烧结和回火处理后的显微结构和磁性能。

通过研究发现:速凝铸片铸锭过程中辊速1.5m/s时Hcj与Hcb差值小,并可以获得高矫顽力性能;氢爆工艺有利于获得高性能Nd-Fe-B磁体。

粉体粒度小可以避免多晶颗粒的比例,提高磁粉的取向度,同时单晶颗粒也有利于抑制反磁化核的形成,提高内禀矫顽力。

氢爆工艺后颗粒粒度分布均匀,并且尺寸越小,磁性能越高。

在烧结和回火过程中发现合金体系的剩磁、矫顽力以及磁能积均对温度的敏感度非常高,且均在1105℃处取得了最大值。

采用二级低温回火可以显著提高矫顽力。

回火时间在2.5h、回火温度在600℃时,材料的矫顽力达到最大。

其中，采用氢爆工艺和两级回火工艺是本实验的关键。

氢爆工艺可使合金沿富钕相层处开裂,保证了主相晶粒及富钕晶界相晶粒的完整。

同时钆钇复合添加所制备的钕铁硼永磁体的综合磁性能优于添加钆的永磁体,而添加钆制备的钕铁硼永磁体的综合磁性能又优于添加钇制备的钕铁硼永磁体的磁性能。

添加一定含量的钆、钇可以有效提高钕铁硼永磁体的耐腐蚀性,且复合添加铽、镝、铜、铝等其他元素时,所制备的钕铁硼永磁体的磁性能和耐腐蚀性等均有一定的提高。

此外，实验采用钆铁合金、钇铁合金或钆钇铁合金取代纯稀土金属生产钕铁硼永磁材料,大大降低了钕铁硼永磁材料的生产成本,也减少了生产纯稀土金属所造成的环境污染;同时使钆、钇等元素有一个新的应用领域,使得钆、钇等元素大量闲置的问题得到了有效解决,提高了稀土资源的利用率。

五、磁性材料的发展及前景中国是世界上最先发现物质磁性现象和应用磁性材料的国家。

早在战国时期就有关于天然磁性材料（如磁铁矿）的记载。

11世纪就发明了制造人工永磁材料的方法。

1086年《梦溪笔谈》记载了指南针的制作和使用。

软磁材料在工业中的应用始于19世纪末。

随着电力工及电讯技术的兴起，开始使用低碳钢制造电机和变压器，在电话线路中的电感线圈的磁芯中使用了细小的铁粉、氧化铁、细铁丝等。

到20世纪初，研制出了硅钢片代替低碳钢，提高了变压器的效率，降低了损耗。

直至现在硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居首位。

到20年代，无线电技术的兴起，促进了高导磁材料的发展，出现了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。

从40年代到60年代，是科学技术飞速发展的时期，雷达、电视广播、集成电路的发明等，对软磁材料的要求也更高，生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料。

进入70年代，随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展，研制出了磁头用软磁合金，除了传统的晶态软磁合金外，又兴起了另一类材料——非晶态软磁合金。

而随着科技的飞速发展,人们对材料的研究已深入到纳米级别。

纳米磁性材料由于其独特的性质在生物医学、磁流体、电磁波吸收、磁记录等领域有着广阔的应用前景。

众所周知,化学方法是制备磁性纳米颗粒的最有效的方法之一,这不仅因为其设备简单且成本低廉,而且还容易得到新颖的结构。

因此,纳米磁性材料的化学法制备及性质研究也就越来越多地受人们关注。

纳米磁性材料作为一种新材料,表现出与常规磁性材料不同的独特物理、化学和电磁性质,并在磁记录、信息存储、磁光器件和微波吸收材料等方面有着潜在的用途。

纳米铁氧体磁性材料是一类用途非常广泛的材料,在国民经济的各个领域有着巨大的应用价值,并已发展成几百亿美元的产业,成为推动世界经济和社会发展的重要物质支柱,其制备和磁性研究已成为国内外研究的热点之一。

近年来,铁氧体磁性材料得到了更加广泛的应用,同时对铁氧体磁性材料的性能要求也越来越高。

为了提高铁氧体的性能,大多数研究都是从合成方法和元素掺杂两方面加以考虑的,这些都直接决定了铁氧体的性能,因为铁氧体的成分、组织结构依赖于制备过程。

磁电共存这一基本规律导致了磁性材料必然与电子技术相互促进而发展，例如光电子技术促进了光磁材料和磁光材料的研制。

磁性半导体材料和磁敏材料和器件可以应用于遥感、遥则技术和机器人。

人们正在研究新的非晶态和稀土磁性材料（如FeNa合金）。

磁性液体已进入实用阶段。

某些新的物理和化学效应的发现（如拓扑效应）也给新材料的研制和应用（如磁声和磁热效应的应用）提供了条件。

磁性材料已成为世界各国科学家争相探索和研究的热点领域之一，今后磁性材料的发展和研究将加强研究、生产、应用相结合，发展新型磁性材料，尤其是纳米磁性材料，不断开拓其新的应用领域。

参考文献：《钕铁硼永磁材料制备工艺优化和性能研究》饶先发江西理工大学《纳米铁氧体磁性材料的物性研究与多孔有序氧化铝模板的制备》周丹安徽大学《磁性颗粒的化学方法制备及其磁性能研究》杨勇兰州大学《添加钆及钇的钕铁硼永磁材料制备工艺研究》孟凡伟江西理工大学。