永磁材料的种类及发展

永磁材料的种类及发展永磁材料种类多，用途广。现在所应用的永磁材料主要经历了金属永磁材料、铁氧体永磁材料和稀土永磁材料三个阶段。第一阶段：金属永磁材料，是一大类发展和应用都较早的以铁和铁族元素为重要组元的合金型永磁材料，又称永磁合金。主要包括铝镍钴（Al-Ni-Co）和铁铬钴（Fe-Cr-Co）系两类永磁合金。这类材料的研发和生产始于20世纪初期，通过铸造工艺制备而成，因此，也被称为铸造永磁材料。1880年左右，人们首先采用碳钢制成了永磁材料，其最大磁能积(BH)max约为1.6kJ/m3。紧接着，人们又发现了钨钢、钴钢等金属永磁材料。1931年以来，人们通过在Fe中加入Al、Ni、Co三种元素，经过浇注和热处理得到了铝镍钴系磁钢。最初，铝镍钴磁钢的(BH)max仅为14.3kJ/m3，人们对合金成分和工艺进行调整后，(BH)max跃升到39.8kJ/m3。从此，铝镍钴磁钢在永磁材料中占据了主导地位，一直到60年代。目前国际先进水平已经可以批量身材磁性能为(BH)max=13MGOe，Br10.8kGs，Hcb1550Oe，Tc550℃的铝镍钴磁体。这类材料的磁能积较低，但其居里温度很高（可高达890℃），温度稳定性很好，磁感温度系数低，因此，在某些特殊器件上的使用无法取代，至今依然有着稳定的市场需求。第二阶段：铁氧体永磁材料，又称永磁铁氧体，是由Fe2O3和锶（或钡等）的化合物按一定比例混合，经预烧、破碎、制粉、压制成型、烧结和磨加工而成。当前应用的永磁铁氧体主要为六角晶系的磁铅石型铁氧体，其化学式为MO·6Fe2O3，其中M为Ba、Pb、Sr等元素。20世纪30年代发现了铁氧体永磁材料，这类永磁体的矫顽力一般只有0.5T，剩磁在0.4T左右，磁能积较低（25～36kJ/m3），其原材料便宜，工艺简单，价格低廉，因此在70年代得到迅速发展，其产量越居第一位。此外，其电阻率高，特别适合在高频和微波领域应用。第三阶段：稀土永磁材料，是以稀土元素RE（Sm，Nd，Pr等）与过渡族金属元素TM（Fe，Co等）所形成的金属间化合物为基体的一类高性能永磁材料。从20世纪60年代开始，稀土永磁材料开始发展起来。稀土永磁材料的发展又经历了三代，第一代SmCo5、第二代Sm2Co17稀土永磁，和第三代的NdFeB稀土永磁。下面将三代稀土永磁材料分别介绍如下：第一代稀土永磁SmCo5合金具有CaCu5型晶体结构，这是一种六角结构，这种低对称性的六角结构使SmCo5化合物有较高的磁晶各向异性，沿c轴是易磁化方向。SmCo5具有很高的磁晶各向异性常数，K1=15~19×103kJ/m3，它的Ms=890kA/m，其理论磁能积可达244.9kJ/m3。1960年，Hubbard等人[13]发现GdCo5具有较强的磁晶各向异性。1967年，Stnart等人采用粉末冶金法制作出第一块YCo5永磁体，随后，他们又用同样的方法制备了SmCo5磁体，其磁能积达到5.1MGOe。1968年Buschow等人制备出最大磁能积高达18.5MGOe的SmCo5磁体，矫顽力为15.8kOe，创造了当时永磁材料磁能积的记录，这也标志着第一代稀土永磁材料的诞生。随后制备工艺的不断完善和技术的进步，到上世纪七十年代，SmCo5永磁体已经实现商品化。目前，SmCo5磁体的最大磁能积达到119~191kJ/m3(15~24MGOe)，矫顽力高达1200~3200kA/m(15~40kOe)。SmCo5的居里温度为740℃，可在-50~150℃的温度范围内工作，是一种较为理想的永磁体，已在现在科学技术工业中得到广泛的应用。它的缺点是含有较多的战略金属钴和储藏较少的稀土金属Sm。原材料价格昂贵，其发展前景受到资源和价格的限制。第二代稀土永磁Sm2Co17合金在高温下是稳定的Th2Ni17型六角结构，在低温下为Th2Zn17型的菱方结构。其具有高的內禀饱和磁化强度0Ms=1.2T，而且是易c轴的，居里温度Tc也很高，Tc=926℃，所以是很理想的永磁材料。用Fe部分取代Sm2Co17化合物中的Co所形成的的Sm2(Co1-xFex)17合金的內禀饱和磁化强度可进一步提高。当x=0.7时，Sm2(Co0.3Fe0.7)17合金的0Ms=1.63T，其理论最大磁能积可高达525.4kJ/m3。1977年，Ojima等人用粉末冶金法研制出Sm(Co,Cu,Fe,Zr)7.2永磁体，其最大磁能积(BH)max=238.8kJ/m3(30MGOe)，这标志着第二代稀土永磁材料的诞生。目前，Sm(Co,Cu,Fe,Zr)7.2永磁体的最高磁能积已达到264kJ/m3(33MGOe)。基于其独特的高温磁性能和优良的磁稳定性（优异的抗氧化性和抗腐蚀性），Sm2Co17基烧结永磁体仍是不可替代的一种永磁材料，被广泛应用于国防军工、航空航天、微波器件、传感器、磁力泵、高端电机等行业。第三代稀土永磁Nd-Fe-B于1982年发明于日本住友特种金属材料和美国通用汽车公司，于1983年实现工业化批量生产，是稀土铁系永磁材料的典型代表。主要成份由稀土元素（如钕Nd)、铁元素（Fe)和硼元素（B）构成，其中稀土元素约占25~35%，铁元素约占65~75%，硼元素约占1%。其分子式为Nd2Fe14B，其中会根据实际要求改变配比以及添加其他元素来提高其性能。Nd2Fe14B相室温条件下具有单轴各向异性，c轴为易磁化轴。其居里温度较低，为Tc≈585K，室温各向异性常数为K1=4.2MJ/m3，K2=0.7MJ/m3，各向异性场μ0Ha=6.7T，室温饱和磁极化强度Js=1.6T。Nd-Fe-B是目前世界上磁能积最高的永磁材料，被誉为“现代永磁之王”。这也意味着产生相同的磁通量钕铁硼材料的体积最小。目前商业化的Nd-Fe-B磁体磁能积约为223~414kJ/m3(28~52MGOe)。Nd-Fe-B系稀土永磁问世，是永磁材料领域一次革命性的变革。产品的性能不断提升，促进了永磁器件不断向高性能、小型化发展，且推动了某些器件的产生，具有划时代的意义。图1-1所示为永磁材料磁能积随年代的变化关系。由图可知，永磁材料经历了大约100年的研究和开发，磁能积从起初的碳钢的约1MGOe到现在Nd-Fe-B的约60MGOe，性能得到了突飞猛进的提升，目前最大磁能积已达到Nd-Fe-B理论值的90%以上。图1-1永磁材料的磁能积随年代的变化