磁性材料

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　　磁性材料主要是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等组成的能够直接或间接产生磁性的物质。

　　磁性材料从材质和结构上讲，分为金属及合金磁性材料和铁氧体磁性材料两大类，铁氧体磁性材料又分为多晶结构和单晶结构材料。

　　从应用功能上讲，磁性材料分为：永磁材料、软磁材料、磁记录-矩磁材料、旋磁材料等等种类。软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料中既有金属材料又有铁氧体材料；而旋磁材料和高频软磁材料就只能是铁氧体材料了，因为金属在高频和微波频率下将产生巨大的涡流效应，导致金属磁性材料无法使用，而铁氧体的电阻率非常高，将有效的克服这一问题、得到广泛应用。

　　磁性材料从形态上讲。包括粉体材料、液体材料、块体材料、薄膜材料等。磁性材料的应用很广泛，可用于电声、电信、电表、电机中，还可作记忆元件、微波元件等。可用于记录语言、音乐、图像信息的磁带、计算机的磁性存储设备、乘客乘车的凭证和票价结算的磁性卡等。

　　1.永磁材料

　　一经外磁场磁化以后，即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。对这类材料的要求是剩余磁感应强度Br高，抗退磁能力强，磁能积(BH)大。相对于软磁材料而言，它亦称为硬磁材料。永磁材料有合金、铁氧体和金属间化合物三类。①合金类：包括铸造、烧结和可加工合金。铸造合金的主要品种有：AlNi(Co)、FeCr(Co)、FeCrMo、FeAlC、FeCo(V)(W)；烧结合金有：Re-Co(Re代表稀土元素)、Re-Fe以及AlNi(Co)、FeCrCo等；可加工合金有：FeCrCo、PtCo、MnAlC、CuNiFe和AlMnAg等，后两种中BHC较低者亦称半永磁材料。②铁氧体类：主要成分为MO·6Fe₂0₃，M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等复合组分。③金属间化合物类：主要以MnBi为代表。根据使用的需要，永磁材料可有不同的结构和形态。有些材料还有各向同性和各向异性之别。

　　2.软磁材料

　　它的功能主要是导磁、电磁能量的转换与传输。因此，对这类材料要求有较高的磁导率和磁感应强度，同时磁滞回线的面积或磁损耗要小。与永磁材料相反，其Br和BHC越小越好，但饱和磁感应强度Bs则越大越好。软磁材料大体上可分为四类。①合金薄带或薄片：FeNi(Mo)、FeSi、FeAl等。②非晶态合金薄带：Fe基、C0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。③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——MO·Fe₂0₃(M代表NiZn、MnZn、MgZn、Lil/2Fe1/2Zn、CaZn等)，磁铅石型——Ba3Me2Fe24041(Me代表Co、Ni、Mg、Zn、Cu及其复合组分)。

　　3.矩磁材料和磁记录材料

　　主要用作信息记录、无接点开关、逻辑操作和信息放大。这种材料的特点是磁滞回线呈矩形。旋磁材料具有独特的微波磁性，如导磁率的张量特性、法拉第旋转、共振吸收、场移、相移、双折射和自旋波等效应。据此设计的器件主要用作微波能量的传输和转换，常用的有隔离器、环行器、滤波器、衰减器、相移器、词制器、开关、限幅器及延迟线等，还有尚在发展。

　　1.磁性材料在传统工业中的应用

　　其实我们的生活中处处都可见磁性材料，有时你遇到它或许会不知道那是什么东西，就像生活中的Fe_30_4一样，生活中随处可见的铁锈，但是你却不知道其实它就是一种天然的磁石。在我们传统的工业生产中，磁性材料的应用也是十分广泛的，甚至是随处可见。就像发电时要用到的发电机、输电时要用到的变压器、汽车的电动机、还有平时我们打电话要用的电话机等等。这些都是日常生活中我们常见的东西，它们的制造都离不开磁性材料，可见我们传统的工业制造也是离不开磁性材料的。由于众多的器件设备都要用到线圈结构，因此没有磁性材料我们将无法实现现代生活的电气化，我们的生活也会缺少很多的乐趣。可见磁性材料对传统工业的重要性。

　　2.磁性材料在生物医学中的应用

　　早在2000多年的前，磁性材料就应用于医学界，各国均有利用磁石作为内服和外用药物的记录。据我国著名药物学家李时珍所著《本草纲目》一书记载，磁石的性能为：辛、寒、无毒，同时书中列举了磁石的十余种应用，并附有处方和用法。

　　其实，现在非常多的医学设备也都是由磁性材料制造的，如在医学上我们通过观察核磁共振的现象来诊断人体异常的组织，从而可以诊断疾病。这是我们比较熟悉的一项技术。它主要是因为原子核本身带正电荷，并且能进行无序的自由旋转运动。将原子核放置于外加磁场时，原子核的运动开始趋向于有序性。自旋系统的磁化的矢量从零开始增加，当系统达到稳定时，磁化强度达到一个稳定的值。如果此时原子核的自旋系统受到外力干扰，即可引起共振效应。核磁共振的特点是能够流动的液体是不会产生信号的，因此被称为流动效应，或者流动空白效应。正是由于这个特点在做核磁共振时呈现灰白色管状结构就是人体的血管，无信号的黑色即流动的血液。

　　2O世纪8O年代出现的纳米磁性材料是一种新型的磁性材料，可利用磁性纳米材料进行疾病诊断，这也是在疾病鉴别诊断中常用的一种手段。经过2000多年的发展，生物磁性材料的研究有了很的发展和进步，尽管有许多生物磁性材料还处于测试阶段，相信不久的将来，随着生物工程、材料工程，生物磁学的发展和进步，磁性材料会更广泛的被应用于临床试验，进而为医学的发展作出更大的贡献。

　　3.磁性材料在军事领域中的应用

　　2l世纪是一个科技高速发达的时代，在高科技的基础之上，增强国家的军事力量是每个国家的首要任务，也是国家面临的最严峻考验和挑战。一个国家的军事力量的强弱关系着这个国家的国际地位，一个国家的军事力量强，那就代表着这个国家在经济、文化等其他方面都处于不败之地。

　　磁性材料在军事方面也有很广泛的应用，对增强各国的军事力量，可谓是功不可没。例如，雷达的应用，还有电磁炮的使用，电磁炮就是将炮弹放在螺线圈中，螺线圈通电会产生磁场，磁场会作用于炮弹而对炮弹产生推动力，从而将炮弹射出，这是一种新研发的“电磁式武器”，电磁导弹也是根据这种原理而研发成功的新型武器。

　　4.磁性材料在其他方面的应用

　　磁性材料在其他的方面也有广泛的应用，例如考古、地质、天文和采矿等方面。

　　自然界中鸽子可以认路，那是因为鸽子可以识别地球的磁场，如果在鸽子的身上加一磁铁那么鸽子就会因为磁铁扰乱了地球的磁场而迷失方向。实际上不同年代的岩石往往会具有不同性质的磁性，因此可以根据岩石的磁性来帮助判断地壳的运动和年代的变化；太阳黑子足一种人们熟识的太阳活动，那是由于爪阳上的磁场活动非常剧烈，这会影响我们正常的生活，会导致无线电通信的暂时停滞、中断等，可见对太阳黑子的研究对我们的生活是非常有帮助的，另外类似的还有北极光现象等。

　　磁性材料的发展经历了从无机到有机、固态到液态、宏观到介观、电子磁有序到核磁有序强磁材料、单一型到复合型，并且显现出优异的磁性能和综合特性．磁性材料由于分类标准和侧重点不同，有着不同的分类．一般磁性材料按应用类型分类可以分为：永磁材料、软磁材料等．下面就永磁和软磁材料的研究和发展综述如下．

　　1.永磁材料的研究和发展趋势

　　永磁材料又称硬磁材料，是历史上发现最早、应用也最早的强磁材料．20世纪60年代以来全球永磁材料的产值每隔十年就增长2．5倍，2000年的产值已达到65亿美元，约占磁性材料总产值的70％，是目前种类最多和应用最广的一大类磁性材料．

　　永磁材料一般可分为：稀土永磁材料、金属永磁材料、铁氧体永磁材料及其他永磁材料．其中，铁氧体永磁材料自20世纪50年代批量生产以来，尽管综合磁性能较低，但发展势头十分迅猛，2000年的产值为26亿美元，占整个永磁材料产值的40％左右，预计在今后较长的一段时间内，它仍将是应用广泛、需求量很大的一类永磁材料．而稀土永磁材料的问世，使永磁材料的性能突飞猛进，稀土永磁材料发展到今天，已经经历了SmCo₅、Srnm₂zCo₁₇、Nd₂Fe₁₄B等三个发展阶段．2000年稀土永磁材料的产值为34亿美元，占整个永磁材料产值的52％．目前NdFeB产值年增长18％ ～20％，已占整个永磁材料产值的40％以上444kJ/m³，并已进人规模生产，预计“十五”期间我国NdFeB总产量将达50000 t左右，销售总额将达150亿元人民币．2010年，预计我国烧结NdFeB的产量将达到7×10⁴ t，占全球产量的75％；粘结NdFeB的产量将达到1×10⁴ t，占全球产量的50％；年产值将达260亿元人民币。永磁材料具有下列一些磁性上的特点：高的最大磁能积、高的矫顽力和内禀矫顽力、高的剩余磁通密度和剩余磁化强度以及高的居里温度和稳定性．永磁材料具有广泛的应用领域，从军工到民用，从小到手表、照相机、CD机、摄像机，大到汽车、发电机、医疗器械、悬浮列车，永磁材料几乎无所不在，特别是稀土永磁材料更是发挥着重要的作用．近10年来，随着我国经济的发展，对永磁材料的需求量迅速增加，对永磁材料性能的要求也不断提高，稀土永磁产品可使现有应用产品尺寸进一步缩小，性能大幅改善，适应了当今社会轻、薄、小的需求．例如笔记本型电脑、机器人小型化等都是高性能稀土永磁材料应用的结果。正如半导体材料的发展带动了计算机和信息产业的发展一样，新型稀土永磁材料也促进了相关高技术产业的发展．而随着科技的发展，磁性材料应用领域在不断扩大，传统的永磁材料性能也在不断提高。

　　目前，永磁材料的研究和发展方向主要有以下两个：第一个研究方向是探索和发展新型的稀土永磁材料．如ThMn_{12}型体合物、Sm₂Fe₁₇N_x、Sm₂Fe₁₇C化合物等.Sm-Fe-N系稀土永磁有与Nd-Fe-B系永磁相近的饱和磁化强度和(BH)m理论值，但各向异性场却高出2．5倍，居里温度高出160K。自问世以来，发展十分迅速，通过合理调整成分，寻求适当的制备方法，优化磁体制备工艺，充分挖掘潜在磁性能，降低生产成本，提高磁体质量，Sm—Fe—N系合金很有希望成为新型实用永磁材料。

　　另一个研究方向是研制纳米复相永磁材料．通常软磁材料的饱和磁化强度高于永磁材料，而永磁材料的磁晶各向异性又高于软磁材料，如将软磁相与永磁相在纳米尺度范围内进行复合，颗粒间将会产生强烈的交换耦合作用，而导致剩磁增强，这种以”交换弹性偶合”组成的纳米复合材料是获得高磁能积的新途径，从而获得同时具有两者优点的高饱和磁化强度、高矫顽力的新型永磁材料．它的理论磁能积高达960 kJ／m³(120MGOe)，远高于目前磁能积最高的NdFeB磁体，而它的稀土含量仅占5wt％左右，从而大大降低了成本．这种材料由于具有高剩磁、高磁能积、高矫顽力和相对低的稀土含量以及相对成本较低，因此有望成为新一代永磁材料，是目前研究的热点之一。

　　2.软磁材料的研究和发展趋势

　　软磁材料是既容易受外加磁场磁化，又容易退磁，矫顽力很低的磁性材料．其主要特征是：高的磁导率、低的矫顽力、高的饱和磁通密度、低的磁(功率)损耗以及高的稳定性．目前应用的软磁材料，因使用功率、频率的不同要求及材料磁特性的不同可分为Fe-Si系、Fe—Ni系、铁氧体系、非晶材料系和其他系等．软磁材料发展到今天已有近百年的历史，它的发展及其应用带动了诸如电力电子技术等许多相关技术领域的发展，促进了社会的进步．在软磁材料的发展史上，最有代表性的材料有硅钢、铁氧体、坡莫合金、非晶及纳米合晶等．2000年全球金属软磁合金的产值为151亿美元，占整个软磁材料产值的72％；软磁铁氧体的产值为l5亿美元，占整个软磁材料产值的7％左右。目前软磁材料已广泛应用于工业自动化设备及电子仪器仪表、通讯设备、电力、计算机及其外设等方面，是品种最多、应用最广的磁性材料之一。

　　随着电子技术和市场需求的发展，促使电子产品向高频化、轻量化、小型化和高性能方向发展，从而带动软磁材料及其技术不断发展．目前软磁材料的研究和发展趋势主要表现在：(1)研究和开发高性能的软磁铁氧体材料，寻找新的应用领域并促使其发展．随着开关电源高频化、低功耗、小型化、轻量化以及电子设备数字化技术的发展和满足高档小型化电感器及减少、抑制、消除电磁污染和干扰的需要，高磁导率材料向更高磁导率和高工作频率发展，偏转磁芯材料向高频、低耗发展，高频软磁铁氧体向片式化和抗干扰方向发展．在铁氧体软磁高磁导率(μ_i)材料方面，日本TDK公司在过去生产H5C2(μ_i=10000)的基础上，20世纪90年代又先后推出H5C3(μ_i=13000)、H5D(μ_i =l5O00)和H5E(μ_i=18000)材料，用这种材料制作的电感器、扼流器、宽带变压器和脉冲变压器，需求量很大，可广泛应用于数字技术和光纤通信等高技术领域；在铁氧体抗电磁干扰材料及元件方面，TDK公司也已经开发出6种EMI吸收材料、71种抗EMI器件，是目前世界上开发生产铁氧体吸收材料及抗EMI器件品种最全、水平最高的企业；在铁氧体软磁高频低功耗材料方面，日本TDK、东京铁氧体等公司已能大批量生产PC40、PC44、PC50等第三、四代材料，其使用频率一般为数百kHz-1MkHz，为开关电源的小型化作出了贡献．另外，为适应计算机显示器、大屏幕彩电和HDTV发展的需要，TDK等公司在2O世纪90年代初还开发出用于制作回扫变压器的HV22、HV38、HV45高频铁氧体材料，具有极低的功耗和高饱和磁感应强度。(2)随着现代电子、电力技术的发展，要求软磁材料集高饱和磁通密度、低损耗、高导磁、高稳定性、低成本于一身，这就要求我们探索和发展新型的软磁材料，例如：非晶合金、超微晶、纳米晶软磁材料等.20世纪80年代日本学者YoshizawaY.等人研制出来的纳米晶合金Fe-si-B-M，具有优异的综合软磁性能，是软磁材料发展史上一个新的里程碑．而且，自1988年日本的吉尺克仁等发明Fe- Cu-Nb-Bn纳米晶软磁合金以来，日本至今已公布了多种纳米晶软磁合金牌号Fimnet，并投入了实际应用，在高技术领域日益显示出其重要性。虽然，目前纳米晶合金软磁材料需进一步完善其工艺性能和磁性能，但纳米晶软磁合金仍然是一个十分有价值的研究领域，在今后的很长时间里将继续是软磁材料的主要研究方向和热点之一。