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1、永磁材料的发展与研究方向摘要：永磁材料是一种重要的磁性功能材料，应用日益广泛。本文首先简单介绍永磁材料在能源开发和节能中的作用。接着，叙述Nd-Fe-B系合金永磁体应用及对材料的要求，还有纳米晶稀土永磁材料的发展。关键词：永磁体，Nd-Fe-B系合金，稀土永磁体，纳米复合Researches andDevelopment of Permanent MagnetsABSTRACT:Permanent magnetic materials is an important functional materials for magnetic field,and it is used widely. T
2、he functions of permanent magets in energy development and savings are briefed.Applications and requirements of Nd-Fe-B alloy permanent magnets and the development of Nanocrystalline rare-earth permanent magnet materials. KEYWORDS: Permanent magnet, Nd-Fe-B alloys, rare-earth permanent magnets,nanoc
3、omposite 1 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。例如，电动玩具、电动扬声器、立体声耳机，计算机磁盘驱动器和打印机，微波炉加热用磁控管等。不同的应用领域，自然需采用
4、不同的磁路设计，需要使用不同性能、不同形状及尺寸的永磁体，以保证达到需要的气隙磁场。但是，无论是哪一类应用，都与永磁材料的剩余磁通密度(B)和矫顽力(H)有直接的关系。所以，我们总希望材料的B、H 值越高越好。当然，在具体的应用中，材料成本也是一个必须考虑的重要因素。从这点来看，开发性能价格比高的材料，始终是永磁材料研发人员努力的方向。2 永磁材料与节能在当今电气化、电子信息化时代，电动机的使用日益广泛，能源消耗日益增大，从高效节能，防止地球变暖、保护臭氧层这种环境保护的全局来看，革新电动机已势在必行。而革新的主攻方向，就是使用永磁体提高能量转换效率输出功率，降低工作过程中的损耗。如果使用永磁
5、体产生磁场(作转子)，不使用电刷整流子，即构成永磁电动机(无刷电动机)，其损耗就只有电枢绕组的铜损、电枢铁心的铁损和机械损耗。因此，有刷电动机特有的电刷损耗，有刷电动机和感应电动机中由初级电流励磁引起的次级铜损，都可以消除，从而会大大提高电动机的效率。输出功率在10W以下的永磁电动机，普遍用于声像装置和信息家电产品。它们的转矩，在电动机规格一定时与永磁体产生的磁通量和导体在绕线槽内的占空系数平方成正比1。它们在电子设备中消耗的电力最多，因此，在器件小型化的同时，要求提高输出功率，降低电流消耗。为此，需要在永磁体和电枢铁心的空隙内产生很强的静磁场。轴向气隙型电动机，普遍用中空的圆盘型稀土烧结永磁
6、；辐向气隙型，则使用薄壁环形稀土粘结永磁体。为了降低轴向气隙型电动机消耗的电流，应当使用高磁能积的烧结永磁体。电机永磁化是一个发展趋势。随着高性能永磁材料的开发成功和实用化，永磁电机也随之迅速发展起来。高性能永磁体不仅在改造传统电动机中发挥了重要作用，而且在扩大电动机品种，开发新型电动机，如步进电动机、直线电动机等方面，做出了新的贡献。3 Nd-Fe-B系合金永磁体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2866kJ的Nd-Fe-B磁体2。这是目前用量仅次于永磁铁氧体的第二大主流永
7、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3。NdFeB永磁合金的成分为Nd15Fe7B8，由多相组成4:(1)主磁性相Nd2Fe14；B占的体积分数约为8085%，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
8、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5，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
9、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。4 纳米晶稀土永磁材料纳米晶稀土永磁材料是一种新型的永磁体6，具有高剩磁、高磁能积和相对高的矫顽力以及低的稀土含量和较好的化学稳定性，是一种有广泛应用前景的廉价稀土永磁材料。纳米晶稀土永磁与传统永磁不同，随着晶粒尺寸的减小，比表面积增大，晶间交换耦合作用显著
10、增强，在传统永磁中可以合理忽略的晶间交换耦合作用，在纳米晶稀土永磁中则显得十分重要。近年来，纳米晶复合永磁体因其具有极高的理论磁能积而越来越受到人们关注。它是由软磁相和硬磁相在纳米尺度内复合组成的永磁材料，通过矫顽力低的软磁相与矫顽力高的硬磁相之间的交换相互作用而实现磁耦合，获得较高的磁性能。纳米复合磁体由荷兰人Coehoorn在1988年通过熔体快淬法先制成Nd4Fe77.5B185 非晶薄带，再在670 晶化处理后得到的各向同性合金，有很强的剩磁增强效应。结构分析发现，该合金粉末由1030nm的硬磁相Nd2Fe14 B和软磁相Fe3B组成，由此认为，纳米复合永磁材料剩磁增强效应是由硬磁和软
11、磁相晶粒问的交换耦合作用引起的。1993年Skomski和Coey等人指出：取向排列的纳米复合磁体的理论磁能积可达到1MJm3，它要比目前磁性能最好的烧结Nd-Fe-B磁体的磁能积高一倍，而目前所报道的纳米复合磁体磁能积最大值仅为185kJm ，还远远低于理论值。尽管这种磁体的剩磁有了很大提高，但是矫顽力的下降较多，因此导致磁能积不高。正是由于实际值与理论值相差甚远，引起了国内外学者对其进行了广泛深人的研究，使得纳米晶复合永磁材料的磁性能，尤其是矫顽力的研究成为目前磁性材料研究领域的热门课题7。目前，生产纳米晶稀土系磁粉的制备工艺主要有：熔体快淬法、机械合金化法、氢化一歧化一脱氢一再结合法(H
12、DDR)。然后可以通过烧结、粘结、热压等方法制成磁体。其中熔体快淬法已广泛应用于工业生产，是制备R2Fe14B-Fe系列纳米晶复合永磁材料使用得比较多，也是研究比较深人的一种工艺方法。而机械合金化法和HDDR法还处在实验室研究阶段。在纳米晶稀土永磁材料中，剩磁、矫顽力随晶粒尺寸变化的关系由以下两个因素决定：(1)磁的非均匀性取决于硬磁相(晶粒)之间的短程交换作用，而这种非均匀性有利于反磁化畴的形核；(2)软、硬磁相之间的交换作用抑制了软磁相中反磁化畴的形核及长大，软磁相中的反磁化畴的形核场随着晶粒尺寸的增加而下降。软磁相中反磁化畴的形核可引起邻近硬磁相中的磁化强度反转，这种作用取决于两相的分布
13、、晶粒形状、易磁化轴的方向等因素。纳米双相永磁材料晶粒交换耦合作用是靠两个相邻晶粒相接触时，在界面处不同取向的磁矩产生交换耦合相互作用，使界面处的磁矩取向从一个晶粒的易磁化方向连续的改变为另一个晶粒的易磁化方向，混乱取向的晶粒磁矩趋于平行排列，从而导致磁矩沿外磁场方向的分量增加，获得剩磁增强效应。晶粒的交换耦合作用是短程的。一般与晶粒畴壁厚度相当，约为纳米数量级，因此，交换耦合作用的大小与组成两相的晶粒尺寸密切相关，随着晶粒尺寸的减小，晶粒间的交换耦合相互作用对材料磁性能的影响越来越大。今后，纳米磁性材料的开发应用将会集中在以下几个方面：(1)纳米晶双相稀土永磁合金在电力电子器件系统的应用；(
14、2)利用复合法制备的复合磁性薄膜在超高频领域的应用；(3)由纳米晶软磁材料粉末与橡胶等混合制成的磁屏蔽和微波吸收材料在电波吸收方面的应用。21世纪，磁性材料将向着薄膜化与纳米磁性材料方向发展，只有进一步提高材料的性能，才能满足当代信息技术发展的需求。我国具有丰富的稀土资源，为把资源优势转化为经济优势，稀土永磁材料的开发利用具有重要意义。5 总论21世纪，磁性材料将向着薄膜化与纳米磁性材料方向发展，只有进一步提高材料的性能，才能满足当代信息技术发展的需求。近年来，随着国内外对稀土永磁材料研究的不断深入，纳米晶稀土永磁材料因为其巨大的发展潜力而越来越受到人们的重视，并且发展迅速，已经开发出各种各样
15、的磁性器件，广泛应用于电力电子、信息、通讯、汽车等领域，并取得令人满意的经济效益。我国作为具有丰富稀土资源的大国，应充分利用现有资源，积极开展对高性能稀土永磁材料的研究。参考文献1 马昌贵,永磁材料的应用及其新进展,金属功能材料,2003,10(1),2.2 Sagawa M ，Fujimura S，Togawa N，metal New material for permanent magnets on a base of Nd and FeJJ JApplPhys，1984，55(6)：20832087.3 张守民,NdFeB稀土永磁材料研究进展,稀土,2001,22(1),2.4 毛建平,铷铁硼稀土永磁材料及其研究进展J,材料工程,1996,(3):4749.5 李飞,粘结钕铁硼磁体开发应用前景J,稀土,1999,20(2):6366.6 Skomski R，Coey J M DGiant energy product in nanostructured two phase magnetsPhys Rev B，1993，48:1581215816.7 王尔德, 石刚, 郭斌 ,胡连喜,稀土永磁材料研究新进展,粉末冶金技术,2005,23(1),2.
