永磁体的发展历史和进展

永磁材料的发展历史和前景

贾丽沙2013050203030

引言

永磁材料，就是产生磁场的功能材料。在场中自由运动电荷、导体与半导体内电荷会受到洛仑兹力作用，使电子束聚焦，实现能量转换；导体在磁场中运动时，由于法拉第效应，会使导体感生电压；两个磁荷之间相互作用，便产生库仑力，引起磁耦合、磁分离、磁悬浮等现象。根据磁力的不同对象和作用原理，可将永磁材料用于不同的领域。

永磁材料在20世纪获得了巨大的发展,在现代高技术和人们日常生活中发挥着重大的作用。永磁材料的应用十分普遍，小到儿童玩具、文件夹，大到人造卫星、宇宙飞船、磁悬浮列车；从每个家庭、办公室，到工农医等各个产业部门，随处都可以见到永磁材料的应用。本文就永磁材料的发展过程、性能特点以及永磁的发展前景进行综合介绍,以期对永磁材料的发展和研究状况有一个较完整的了解。

一、永磁材料的发展历史

1、Alnico系永磁材料

1917年人们就发现钴钢具有永磁性能,在1937年用“Alnico”永磁材料制备了永磁体。典型合金为Alnico8。其最大磁能积为64.0kJ/m3,综合磁性能较好。由于其磁稳定性在所有永磁材料中最优,主要用于高精密仪器上。

2、第一代永磁材料——铁氧体系

随着科学发展，人们在1938年确定了相关成分和晶体结构,于1947年开发成永磁体。典型合金为Ba1-xSrxFe12O9。铁氧体系永磁材料具有较高的矫顽力和较大的磁晶各向异性,但温度系数大。由于价格低廉,应用相当广泛,例如中、大功率电动机,涡流器件,耦合结构,吸引磁体,校正磁体,磁性分离器等。

3、第二代永磁材料——稀土-钴系

六、七十年代相继开发出SmCo5和Sm2Co17永磁材料,将稀土元素和3d过渡族元素结合起来,提高了永磁体的磁特性,被称为第二代永磁材料。典型合金为Sm2Co17。稀土-钴系永磁体在70年代和80年代初获得了很大的发展,随着NdFeB永磁体的出现,其应用基本上已为NdFeB永磁体所取代,主要生产国是日本和美国。

4、第三代永磁材料——NdFeB系合金

二十世纪八十年代初，佐川真人等对R-Fe-x三元合金进行广泛的实验研究，发现了金属间化合物Nd2Fe14B(四方晶结构)，并研制出磁能积(BH)max高达286．6kJ的Nd-Fe-B 磁体。这是目前用量仅次于永磁铁氧体的第二大主流永磁材料，NdFeB永磁材料具有如下特点：(1)磁性能高；(2)价格属中下水平；(3)力学性能好；(4)居里点低，温度稳定性较差，化学稳定性也欠佳。第四个特点可以通过调整化学成分和采取其他措施来改善。

NdFeB永磁合金的成分为Nd15Fe7B8，由多相组成：(1)主磁性相Nd2Fe14；B占的体积分数约为80～85%，是具有单轴各向异性的硬磁性相。(2)富钕相主要分布在主磁性相晶界周围，具有面心立方结构，富钕相的存在，可促进磁性材料的烧结，使磁体致密化，沿晶界分布时，可起磁耦合隔离作用，有利于矫顽力的提高。(3)富硼相Nd1.1Fe4B4，四方结构，大部分以多边形颗粒存在于主磁性相晶界处。富硼相起磁稀释作用，对永磁性能几乎无益。NdFeB合金的制备方法主要有粉末冶金法、熔体快淬法等，虽然NdFeB永磁材料有很高的磁能积，但它的矫顽力低，温度稳定性差，易腐蚀。这些都限制了NdFeB的应用范围。为了进一步提高其磁性能，可在Nd-Fe-B三元系中添加元素，从而形成一系列三元

以上的(NdE)一(FeM1M2)一B系永磁材料。

综上，研究NdFeB磁体应采取措施：(1)研究高性能的NdFeB磁体，进一步提高居里韫度、矫顽力、磁能积、降低温度系数，并使NdFeB永磁材料的制成品更加微型化。(2)加紧对NdFeB合金制备新工艺的研究。(3)完善涂层工艺研究，使NdFeB永磁材料能在复杂的环境中连续工作。(4)加强粘结磁粉的研制工作。(5)拓宽材料的应用领域。NdFeB系永磁台金仍然是目前永磁材料研究的热点之一。

今后的研究方向将主要集中在通过成分优化、组织匹配和晶粒细化来提高或改善NdFeB永磁的居里温度、耐蚀性、热稳定性及降低温度系数。通过熔体快淬、机械台金化、等离子雾化等方法制备具有纳米晶结构的永磁体，同时获得高剩磁和高矫顽力。

在20世纪的100年间,永磁体的最大磁能积提高了100倍,其发展过程如下图所示。

20世纪永磁材料的发展历史

5、第四代永磁材料——Sm2Fe17Nx合金

Sm2Fe17Nx具有较高的居里温度(754K)、很大的各向异性场(14T)和高的室温饱和磁极化强度(1.5T)。RE2Fe17Nx(M=C、N;x=2～3)的晶体结构有两种:对于比Gd轻的稀土元素(La 除外),其结构为菱方Th2Zn17型结构;对于比Tb重的稀土元素,其结构为六方Th2Ni17型结构;对于Gd2Fe17Nx和Tb2Fe17Nx,以上两种结构可能并存。掺入N或C原子后并不改变晶体结构类型,只是导致晶格膨胀(相对体积的膨胀率ΔV/V为6%～7%)和晶面间距增大,使得铁原子之间的交换作用增强而Fe-RE之间的交换作用减弱;氮原子的间隙占位使得RE2Fe17中铁次格子的自发磁化强度(M)增加(ΔM/M为10%[26])。在所有RE2Fe17Mx类化合物中,最符合磁性能要求的是Sm2Fe17Nx(x接近3)。Sm2Fe17Nx具有极高的各向异性场,呈现易c 轴各向异性,但人们对该化合物各向异性的产生机制认识还不十分清楚。罗广圣等通过X射线衍射和穆斯堡尔谱等手段研究了伪三元化合物(Sm1-xYx)2Fe17Ny后认为:Sm次格子的单轴各向异性较强,对各向异性起主导机制;N原子的占位与自旋结构密切相关而与晶体结构无关,N原子的双重占位导致各向异性。

Sm2Fe17Nx永磁体的制备过程主要分为三步:制备Sm2Fe17化合物;利用气固反应进行氮化处理,获得Sm2Fe17Nx化合物;制备磁体。可采用钙热还原法、熔炼法和机械合金化法生产Sm2Fe17化合物,随后机械研磨或采用HDDR工艺制备该化合物的微粉;氮化处理可在纯氮气氛中(500℃,大于2h,105～106Pa)或氮+氨气氛中(400～500℃,9.8×104Pa,数分钟到数