永磁材料的種類及發(fā)展.doc

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/m3。緊接著，人們又發(fā)現(xiàn)了鎢鋼、鈷鋼等金屬永磁材料。1931年以來，人們通過在Fe中加入Al、Ni、Co三種元素，經(jīng)過澆注和熱處理得到了鋁鎳鈷系磁鋼。最初，鋁鎳鈷磁鋼的(BH)max僅為14.3 kJ/m3，人們對合金成分和工藝進行調整后，(BH)max躍升到39.8 kJ/m3。從此，鋁鎳鈷磁鋼在永磁材料中占據(jù)了主導地位，一直到60年代。目前國際先進水平已經(jīng)可以批量身材磁性能為(BH)max=13MGOe，Br10.8 kGs，Hcb1550 Oe，Tc550 的鋁鎳鈷磁體。這類材料的磁能積較低，但其居里溫度很高（可高達890 ），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)定的市場需求。第二階段：鐵氧體永磁材料，又稱永磁鐵氧體，是由Fe2O3和鍶（或鋇等）的化合物按一定比例混合，經(jīng)預燒、破碎、制粉、壓制成型、燒結和磨加工而成。當前應用的永磁鐵氧體主要為六角晶系的磁鉛石型鐵氧體，其化學式為MO6Fe2O3，其中M為Ba、Pb、Sr等元素。20世紀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（2536kJ/m3），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域應用。第三階段：稀土永磁材料，是以稀土元素RE（Sm，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SmCo5、第二代Sm2Co17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SmCo5合金具有CaCu5型晶體結構，這是一種六角結構，這種低對稱性的六角結構使SmCo5化合物有較高的磁晶各向異性，沿c軸是易磁化方向。SmCo5具有很高的磁晶各向異性常數(shù)，K1=1519103 kJ/m3，它的Ms=890 kA/m，其理論磁能積可達244.9 kJ/m3。1960 年，Hubbard等人13發(fā)現(xiàn)GdCo5具有較強的磁晶各向異性。1967 年，Stnart等人采用粉末冶金法制作出第一塊YCo5永磁體，隨后，他們又用同樣的方法制備了SmCo5 磁體，其磁能積達到5.1 MGOe。1968 年 Buschow等人制備出最大磁能積高達18.5 MGOe的SmCo5磁體，矯頑力為15.8 kOe，創(chuàng)造了當時永磁材料磁能積的記錄，這也標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的進步，到上世紀七十年代，SmCo5永磁體已經(jīng)實現(xiàn)商品化。目前，SmCo5磁體的最大磁能積達到119191 kJ/m3 (1524 MGOe)，矯頑力高達12003200 kA/m (1540 kOe)。SmCo5的居里溫度為740 ，可在-50150 的溫度范圍內(nèi)工作，是一種較為理想的永磁體，已在現(xiàn)在科學技術工業(yè)中得到廣泛的應用。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Sm2Co17合金在高溫下是穩(wěn)定的Th2Ni17型六角結構，在低溫下為Th2Zn17型的菱方結構。其具有高的內(nèi)稟飽和磁化強度m0Ms=1.2 T，而且是易c軸的，居里溫度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(nèi)稟飽和磁化強度可進一步提高。當x=0.7時，Sm2(Co0.3Fe0.7)17合金的m0Ms=1.63 T，其理論最大磁能積可高達525.4 kJ/m3。1977年，Ojima等人用粉末冶金法研制出Sm(Co, Cu, Fe, Zr)7.2永磁體，其最大磁能積(BH)max=238.8 kJ/m3 (30 MGOe)，這標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到264 kJ/m3 (33 MGOe)。基于其獨特的高溫磁性能和優(yōu)良的磁穩(wěn)定性（優(yōu)異的抗氧化性和抗腐蝕性），Sm2Co17基燒結永磁體仍是不可替代的一種永磁材料， 被廣泛應用于國防軍工、航空航天、微波器件、傳感器、磁力泵、高端電機等行業(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Nd2Fe14B，其中會根據(jù)實際要求改變配比以及添加其他元素來提高其性能。Nd2Fe14B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Tc585 K，室溫各向異性常數(shù)為K1=4.2 MJ/m3，K2=0.7 MJ/m3，各向異性場0Ha=6.7 T，室溫飽和磁極化強度Js=1.6 T。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/m3 (2852 MGOe)。Nd-Fe-B系稀土永磁問世，是永磁材料領域一次革命性的變革。產(chǎn)品的性能不斷提升，促進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