永磁材料的种类及发展

1、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 1.6 kJ/m 3。紧接着，人们又发现了钨钢、钻钢等金属永磁材料。1931 年以来，人们通过在Fe 中加入

2、Al、Ni、 CO 三种元素，经过浇注和热处理得到了铝镍钻系磁钢。最初，铝镍钻磁钢的 （BH）max 仅为14.3 kJ/m 3, 人们对合金成分和工艺进行调整后，（ BH）max 跃升到 39.8 kJ/m 3。 从此，铝镍钻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=13MGO ，eBr>10.8 kGs ，Hcb>1550Oe ，Tc<550 C 的铝镍钻磁体。这类材料的磁能积较低，但其居里温度很高（可高达890C）,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

3、场需求。第二阶段：铁氧体永磁材料，又称永磁铁氧体，是由FQQ 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 MOGF QQ，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0.5 T ，剩磁在 0.4 T 左右，磁能积较低（ 25? 36kJ/m 3），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 （S

4、m， 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 SmCo 第二代 SmCo ?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SmCo 合金具有 CaCu 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SmC 50 化合物有较高的磁晶各向异性，沿c 轴是易磁化方向精选资料，欢迎下载oSmCo 具有很高的磁晶各向异性常数，K 仁 1519X 10 3 kJ/m 3，它的 Ms=890kA

5、/m,其理论磁能积可达 244.9 kJ/m3。1960 年， Hubbard 等人冋发现 GdCo 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YCo 永磁 体，随后，他们又用同样的方法制备了SmCo 磁体，其磁能积达到 5.1 MGOe1968 年 Buschow 等人制备出最大磁能积高达18.5 MGOe 的 SmC 磁体，矫顽力 为15.8 kOe ，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，SmC 5 o 永磁体已经实现商品化。目前，SmCo 磁体的最大磁能积达

6、到119191 kJ/m 3(1524 MGOe), 矫顽力高达 12003200 kA/m (1540 kOe)o SmC 的居里温度为 740C,可在 -50150 C 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 SmCo 7 合金在高温下是稳定的 Th 2Ni17型六角结构，在低温下 为Th2Zni7 型的菱方结构。其具有高的內禀饱和磁化强度mMs=1.2 T , 而且是易 c轴的，居里温度 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 合金的內禀饱和磁化强度可 进一步提高。当 x=0.7 时， Sm(Co °.3Fe0.7) 17 合金的 mMs=1.63 T , 其理论最大磁能积可高达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 永磁体，其最大磁能积 (BH) max =238.8 kJ/m (30 MGOe)，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26

8、4 kJ/m 3 (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 ) ，SmCo ?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2535% 铁元素约占 6575% 硼元素约占 1% 其分子式为 NdFaB, 其中会根据实际要求改

9、变配比以及添加其他元素来提高其性能。Nc bFaB 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TcP85 K ，室温各向异性精选资料，欢迎下载常数为 Ki=4.2 MJ/m 3,K2=0.7 MJ/m 3，各向异性场曲=6.7 T ，室温饱和磁极化强度Js=1.6 T 0 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 223414 kJ/m 3 (2852 MGOe) 。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