纳米磁性材料的研究进展

纳米磁性材料的研究进展

摘要

永磁材料在信息、计算机、通讯、航空航天、办公自动化、交通运输、家电、人体健康和保健等现代科学技术领域有着广泛的应用。近年来，科学技术水平不断更新，尤其是微机械、微电子等技术的迅猛发展，给磁性材料的发展创造了新的机遇，高性能、小型化、新功能日益成为磁性材料的研究趋势。由此具有极高能量密度的稀土永磁材料，尤其是具有小尺寸效应、表面效应、隧道效应等新物理现象的纳米稀土永磁材料越来越引起了人们的重视，相关研究方兴未艾。我国得天独厚的稀土资源优势，为稀土永磁材料的发展提供了极为有利的条件。开展纳米稀土永磁材料及应用研究，将对我国稀土相关产业的发展和稀土资源的有效利用起到积极的促进作用。

最近几年在用表面剂辅助高能球磨技术制备RCo5（R=Sm、Pr、Y、Ce）纳米稀土永磁材料研究中，发现球磨产物为一种具有较高形貌比的多晶的片状粒子，更为特殊的是这种片状粒子具有片外织构，即其组成的晶粒的c轴垂直于片状粒子的表面。这一发现对于制备高性能各向异性粘结磁体具有重要的意义。烧结NdFeB 是目前性能最好的永磁材料，各向异性的NdFeB粘结磁体正在不断发展之中。

关键词：稀土永磁材料、纳米磁性材料、研究现状、制备方法

一、永磁材料的研究现状

1、永磁材料的发展

永磁材料是这样的一种磁性材料：在被磁化至饱和然后去掉磁化场以后，然能够保留一部分的磁性，因此可以不需要电能的持续输入而提供磁场。其主要的性能指标是剩磁(Mr)，矫顽力(iHc)和最大磁能积(（BH）Max)，其中最大磁能积是最重要的指标，它直接决定了同等设计条件下永磁材料的使用量和成本[1]。纵观永磁材料的发展史，磁性材料的发展就是最大磁能积的提高的过程。

在十九世纪末二十世纪初，永磁材料的工业使用开始显现，当时采用的是钨钢、碳钢、铬钢和钴钢等永磁材料磁能积(BH)max不到1 MGOe [2]。永磁材料大规模的使用在三十年代末，以成功研制了铝镍钴(AlNiCo)永磁材料为代表。铝镍钴永磁磁化强度很高，但顽力很小，磁能积仅5-10MGOe 左右。铝镍钴永磁的居里温度高达890℃，具有非常高的温度稳定性，因此在计测仪表及航空航天器件等对温度稳定性要求高的领域仍在使用。五十年代，人们研制出了铁氧体永磁。铁氧体永磁磁性能较差，磁能积不超过5 MGOe，但以廉价的氧化铁为原料，成本很低，主要应用于玩具、扬声器等对磁性能要求不高的领域。在六十年代，稀土钴永磁材料的问世，意味着稀土永磁体时代的到来。在1967年Dayton 大学(美国)的Strnat等人，用粉末烧结法成功地制备了SmCo5永磁体。由于稀土Sm的强磁晶各向异性(磁晶各向异性常数Ku达到10MJ/m3)，因此SmCo5磁体的矫顽力非常高，磁能积一般在20 MGOe左右。值得注意的是SmCo5是第一种、工业规模使用的稀土永磁材料[3]。七十年代初出现了以Sm2Co17为基础的第二代稀土永磁，磁能积达到30 MGOe。钐钴磁体含有昂贵而稀缺的战略金属元素Co和稀有金属Sm，成本较高，但由于居里温度高(750-940℃)，主要应用于航空航天、军事工业等高技术领域和高温工作环境。八十年代初出现了第三代稀土磁体钕铁硼(Nd2Fe14B)永磁体。钕铁硼永磁综合磁性能最好，磁能积达到50 MGOe以上，且成本相对较低，被誉为一代磁王。此外，在历史上还有Fe-Co-V、Cu-Ni-Fe、AlMnC、Fe-Co-Mo、MnBi 合金等被用作永磁材料[4]。这些材料，普遍磁性能较低，而且成本比较高，目前已经较少使用。在特殊场合下，采用的永磁材料还有FeCrCo、AlNiCo、PtCo 等材料。就目前发展趋势来看，Ba、Sr 铁氧体在工业应用较多的情况将会在许多场合被Nd-Fe-B类的材料所取代。稀土类永磁材料的产值已经很大程度超过铁氧体永磁材料，综上所述稀土永磁材料的生产，已经发展成为一大产业[5]。

2、纳米稀土永磁材料的发展

在稀土永磁材料经历了SmCo5、Sm2Co17、Nd-Fe-B三代的发展后，探索新的能够超过Nd2Fe14B的单相稀土化合物遇到了困难，到现在依然进展缓慢。1988 年，Coehoorn等人报道了由硬磁相和软磁相组成的纳米复合永磁体，具有剩磁增强效应[6]。经理论计算预测，多层膜型的纳米复合磁体磁能积有可能超过800kJ/m3[7]，这提供了寻找具有更高磁能积的永磁体磁性能的新方法，由此各国纷纷展开这方面的科学研究。上个世纪90年代起，有关纳米稀土永磁材料的研究陆续被报导[8]，其中包括具有CaCu5、TbCu7和Th2Zn17结构的SmCo基和具有ThMn12结构的RFe12、Sm2Fe17N x、Nd(Fe、Co、Mo)12N x薄膜及纳米材料。到目前为止，因为制备技术尚有难度，理论预言所要求的微结构无法实现。得到的复合型永磁体，即使能获得比较好的剩磁增强效应，通常矫顽力和磁能积都比较低，还达不到实用的要求。

二、纳米磁性材料的分类

磁性纳米材料按其结构特征进行划分，可包含以下三种材料：纳米颗粒材料、磁微电子结构材料以及纳米微晶材料。

1、纳米颗粒材料

磁存储介质是纳米颗粒材料的一种，该材料以磁性颗粒(具有一定矫顽力)作为磁记录单元。磁存储介质的记录密度与纳米颗粒的粒度尺寸大小成反比，即记录密度越高，纳米颗粒材料粒度尺寸越小，反之，纳米颗粒材料粒度尺寸越大，记录密度越小。另外，由于超顺磁效应使得磁性粒子的矫顽力随着粒子尺寸的减小而下降，所以高密度存储介质应选用磁晶各向异性强的材料。

纳米颗粒材料的另一种典型应用是用作磁性液体，磁性液体是由表面包覆表面活性剂的具有超顺磁性的纳米微粒弥漫在基液中形成的。需要说明的是，在无外加磁场的情况下，磁性液体无磁性吸引力，换言之，磁性液体如果想要具有磁性，就必须有外加磁场的作用。环状永磁体可以产生环状的磁场，当磁场均匀分布在旋转轴密封部件中，磁性液体可受到外加磁场的控制，处在磁场中的磁性液体便形成一个“O”型的动态密封环，被约束其中，应用此种方法可以进行长期的动态密封，磨损几乎可以不计。除此之外，磁性液体在无声快速磁印刷、仪器仪表阻尼器、医疗造影剂、磁性液体发电机等领域均有着广泛的应用。