永磁材料的種類及發(fā)展

1、永磁材料的種類及發(fā)展永磁材料種類多，用途廣?，F(xiàn)在所應(yīng)用的永磁材料主要經(jīng)歷了金屬永磁材料、鐵氧體永磁材料和稀土永磁材料三個階段。第一階段：金屬永磁材料，是一大類發(fā)展和應(yīng)用都較早的以鐵和鐵族元素為重要組元的合金型永磁材料，又稱永磁合金。主要包括鋁鎳鈷（Al-Ni-Co ）和鐵鉻鈷（Fe-Cr-Co ）系兩類永磁合金。這類材料的研發(fā)和生產(chǎn)始于20 世紀(jì)初期，通過鑄造工藝制備而成，因此，也被稱為鑄造永磁材料。1880 年左右，人們首先采用碳鋼制成了永磁材料，其最大磁能積（BH ）max 約為 1.6 kJ/m 3。緊接著，人們又發(fā)現(xiàn)了鎢鋼、鉆鋼等金屬永磁材料。1931 年以來，人們通過在Fe 中加入

2、Al、Ni、 CO 三種元素，經(jīng)過澆注和熱處理得到了鋁鎳鉆系磁鋼。最初，鋁鎳鉆磁鋼的 （BH）max 僅為14.3 kJ/m 3, 人們對合金成分和工藝進(jìn)行調(diào)整后，（ BH）max 躍升到 39.8 kJ/m 3。 從此，鋁鎳鉆磁鋼在永磁材料中占據(jù)了主導(dǎo)地位，一直到60 年代。目前國際先進(jìn)水平已經(jīng)可以批量身材磁性能為（BH ）max=13MGO ，eBr>10.8 kGs ，Hcb>1550Oe ，Tc<550 C 的鋁鎳鉆磁體。這類材料的磁能積較低，但其居里溫度很高（可高達(dá)890C）,溫度穩(wěn)定性很好，磁感溫度系數(shù)低，因此，在某些特殊器件上的使用無法取代，至今依然有著穩(wěn)定的市

3、場需求。第二階段：鐵氧體永磁材料，又稱永磁鐵氧體，是由FQQ 和鍶（或鋇等）的化合物按一定比例混合，經(jīng)預(yù)燒、破碎、制粉、壓制成型、燒結(jié)和磨加工而成。當(dāng)前應(yīng)用的永磁鐵氧體主要為六角晶系的磁鉛石型鐵氧體，其化學(xué)式為 MOGF QQ，其中 M 為 Ba Pb Sr 等元素。 20 世紀(jì) 30 年代發(fā)現(xiàn)了鐵氧體永磁材料，這類永磁體的矯頑力一般只有0.5 T ，剩磁在 0.4 T 左右，磁能積較低（ 25? 36kJ/m 3），其 原材料便宜，工藝簡單，價格低廉，因此在70 年代得到迅速發(fā)展，其產(chǎn)量越居第一位。此外，其電阻率高，特別適合在高頻和微波領(lǐng)域應(yīng)用。第三階段：稀土永磁材料，是以稀土元素RE （S

4、m， Nd， Pr 等）與過渡族金屬元素 TM （Fe，Co 等）所形成的金屬間化合物為基體的一類高性能永磁材料。從20世紀(jì) 60 年代開始，稀土永磁材料開始發(fā)展起來。稀土永磁材料的發(fā)展又經(jīng)歷了三代，第一代 SmCo 第二代 SmCo ?稀土永磁，和第三代的NdFeB 稀土永磁。下面將三代稀土永磁材料分別介紹如下：第一代稀土永磁SmCo 合金具有 CaCu 型晶體結(jié)構(gòu)，這是一種六角結(jié)構(gòu)，這種低對稱性的六角結(jié)構(gòu)使SmC 50 化合物有較高的磁晶各向異性，沿c 軸是易磁化方向精選資料，歡迎下載oSmCo 具有很高的磁晶各向異性常數(shù)，K 仁 1519X 10 3 kJ/m 3，它的 Ms=890kA

5、/m,其理論磁能積可達(dá) 244.9 kJ/m3。1960 年， Hubbard 等人冋發(fā)現(xiàn) GdCo 具有較強(qiáng) 的磁晶各向異性。 1967 年， Stnart等人采用粉末冶金法制作出第一塊YCo 永磁 體，隨后，他們又用同樣的方法制備了SmCo 磁體，其磁能積達(dá)到 5.1 MGOe1968 年 Buschow 等人制備出最大磁能積高達(dá)18.5 MGOe 的 SmC 磁體，矯頑力 為15.8 kOe ，創(chuàng)造了當(dāng)時永磁材料磁能積的記錄，這也標(biāo)志著第一代稀土永磁材料的誕生。 隨后制備工藝的不斷完善和技術(shù)的進(jìn)步，到上世紀(jì)七十年代，SmC 5 o 永磁體已經(jīng)實現(xiàn)商品化。目前，SmCo 磁體的最大磁能積達(dá)

6、到119191 kJ/m 3(1524 MGOe), 矯頑力高達(dá) 12003200 kA/m (1540 kOe)o SmC 的居里溫度為 740C,可在 -50150 C 的溫度范圍內(nèi)工作，是一種較為理想的永磁體，已在現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。 它的缺點是含有較多的戰(zhàn)略金屬鈷和儲藏較少的稀土金屬Sm 原材料價格昂貴，其發(fā)展前景受到資源和價格的限制。第二代稀土永磁 SmCo 7 合金在高溫下是穩(wěn)定的 Th 2Ni17型六角結(jié)構(gòu)，在低溫下 為Th2Zni7 型的菱方結(jié)構(gòu)。其具有高的內(nèi)稟飽和磁化強(qiáng)度mMs=1.2 T , 而且是易 c軸的，居里溫度 Tc 也很高， Tc=926 C , 所

7、以是很理想的永磁材料。用 Fe 部分 取代 SmCo ?化合物中的 Co 所形成的的 Sm(Co 1-x Fex) 17 合金的內(nèi)稟飽和磁化強(qiáng)度可 進(jìn)一步提高。當(dāng) x=0.7 時， Sm(Co °.3Fe0.7) 17 合金的 mMs=1.63 T , 其理論最大磁能積可高達(dá)525.4 kJ/m 3o 1977 年， Ojima 等人用粉末冶金法研制出Sm(Co, Cu, Fe,3Zr) 7.2 永磁體，其最大磁能積 (BH) max =238.8 kJ/m (30 MGOe)，這標(biāo)志著第二代稀土永磁材料的誕生。目前，Sm(Co,Cu,Fe,Zr)7.2 永磁體的最高磁能積已達(dá)到26

8、4 kJ/m 3 (33MGOe) ?；谄洫毺氐母邷卮判阅芎蛢?yōu)良的磁穩(wěn)定性( 優(yōu)異的抗氧化性和抗腐蝕性 ) ，SmCo ?基燒結(jié)永磁體仍是不可替代的一種永磁材料，被廣泛應(yīng)用于國防軍工、航空航天、微波器件、傳感器、磁力泵、高端電機(jī)等行業(yè)。第三代稀土永磁Nd-Fe-B 于 1982 年發(fā)明于日本住友特種金屬材料和美國通用汽車公司，于 1983 年實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)，是稀土鐵系永磁材料的典型代表。主 要成份由稀土元素 ( 如釹 Nd) 、鐵元素 ( Fe) 和硼元素 ( B) 構(gòu)成，其中稀土元素約占2535% 鐵元素約占 6575% 硼元素約占 1% 其分子式為 NdFaB, 其中會根據(jù)實際要求改

9、變配比以及添加其他元素來提高其性能。Nc bFaB 相室溫條件下具有單軸各向異性， c 軸為易磁化軸。其居里溫度較低，為TcP85 K ，室溫各向異性精選資料，歡迎下載常數(shù)為 Ki=4.2 MJ/m 3,K2=0.7 MJ/m 3，各向異性場曲=6.7 T ，室溫飽和磁極化強(qiáng)度Js=1.6 T 0 Nd-Fe-B 是目前世界上磁能積最高的永磁材料，被譽為“現(xiàn)代永磁之王” °這也意味著產(chǎn)生相同的磁通量釹鐵硼材料的體積最小。目前商業(yè)化的 Nd-Fe-B 磁體磁能積約為 223414 kJ/m 3 (2852 MGOe) 。Nd-Fe-B 系稀土永磁問世，是永磁材料領(lǐng)域一次革命性的變革。產(chǎn)品的性能不斷提升，促進(jìn)了永磁器件不斷向高性能、小型化發(fā)展，且推動了某些器件的產(chǎn)生，具有劃時代的意義。圖1-1 所示為永磁材料磁能積隨年代