软磁材料、硬磁材料的国内研究现状及存在的问题_国内外研究现状及分析
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软磁材料、硬磁材料的国内研究现状及存在的问题
材料是人类社会发展的物质基础和先导，新材料则是人类社会进步的里程碑。纵观人类科学的发明和应用历史，我们可以清楚的看到，每一种重要新材料的发明和应用都会把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。而磁性材料是国民经济各个领域不可缺少的功能材料，它不尽满足了传统工业的发展要求，而且在科技、电子信息等技术中也起着越来越重要的作用。在新的经济形势驱使下，磁性材料除了不断提高现有材料的性能和质量，也必将会有新的材料出现，以满足不断发展的信息和电子技术的要求。
磁性材料又分为软磁材料、硬磁材料等。软磁材料作为信息功能材料的磁性材料，是其中应用最广泛、种类最多的材料之一。软磁材料的性能常因应用而异，但通常软磁材料的磁导率要高、矫顽力和损耗要低。软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等 软磁材料的分类：
① 纯铁和低碳钢。包括电磁纯铁、电解铁和羰基铁。其特点是饱和磁化强度高，价格低廉，加工性能好；但其电阻率低、在交变磁场下涡流损耗大，只适于静态下使用，如制造电磁铁芯、极靴、继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩等。
② 铁硅系合金。含硅量 0.5％ ～ 4.8％，一般制成薄板使用，俗称硅钢片。在纯铁中加入硅后，可消除磁性材料的磁性随使用时间而变化的现象。随着硅含量增加，热导率降低，脆性增加，饱和磁化强度下降，但其电阻率和磁导率高，矫顽力和涡流损耗减小，从而可应用到交流领域，制造电机、变压器、继电器、互感器等的铁芯。③ 铁铝系合金。含铝6％～16％，具有较好的软磁性能，磁导率和电阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型变压器、磁放大器、继电器等的铁芯和磁头、超声换能器等。
④ 铁硅铝系合金。在二元铁铝合金中加入硅获得。其硬度、饱和磁感应强度、磁导率和电阻率都较高。缺点是磁性能对成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。主要用于音频和视频磁头。
⑤ 镍铁系合金。镍含量30％～90％，又称坡莫合金，通过合金化元素配比和适当工艺，可控制磁性能，获得高导磁、恒导磁、矩磁等软磁材料。其塑性高，对应力较敏感，可用作脉冲变压器材料、电感铁芯和功能磁性材料。
⑥ 铁钴系合金。钴含量27％～50％。具有较高的饱和磁化强度，电阻率低。适于制造极靴、电机转子和定子、小型变压器铁芯等。
⑦ 软磁铁氧体。非金属亚铁磁性软磁材料。电阻率高（10-2～1010Ω·m），饱和磁化强度比金属低，价格低廉，广泛用作电感元件和变压器元件。
⑧ 非晶态软磁合金。一种无长程有序、无晶粒合金，又称金属玻璃，或称非晶金属。其磁导率和电阻率高，矫顽力小，对应力不敏感，不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有耐蚀和高强度等特点。此外，其居里点比晶态软磁材料低得多，电能损耗大为降低，是一种正在开发利用的新型软磁材料
⑨ 超微晶软磁合金。20世纪80年代发现的一种软磁材料。由小于50纳米左右的结晶相和非晶态的晶界相组成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合性能，不仅磁导率高、矫顽力低、铁损耗小，且饱和磁感应强度高、稳定性好。现主要研究的是铁基超微晶合金
软磁材料的常用磁性能参数： 饱和磁感应强度Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。
剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值。
矩形比：Br∕Bs
矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。
磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。
居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。损耗P：磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe P = Ph + Pe 磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率ρ。在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为：总功率耗散（mW）/表面积（cm2）
软磁材料在工业中的应用始于十九世纪末，是伴随着电力电工及电讯技术的兴起而出现的，其应用范围极其广泛，尤其是在变压器、电感器、EMI滤波器、偏转线圈等产品上更是具有不可替代的作用。近年来，其市场需求量逐年上升，产品种类也日益增多，成为磁性材料行业发展的一大亮点。目前，中国已加入WTO，民族软磁工业面临着新的机遇与挑战，一方面是国内企业间低层次的竞争愈演愈烈，另一方面是国外软磁巨人的大规模入侵，如何在夹缝中求得更好的生存和发展空间成为行业发展的焦点。
由于数字通信技术和光线通信的快速发展，在通信领域中大量使用的各种电源变压器，多数工作在低磁通密度下，这时材料的磁导率就起到了主要作用。另外，由于高磁导率软磁铁氧体材料具有密度高、硬度高、耐磨性好及晶粒不易剥落的优点，还是很好的磁头材料。国内年用量达数千吨，直接产值达几亿元，技术含量高，附加值高，市场竞争很激烈。
由于以上原因，高磁导率软磁材料一直是国内外软磁材料研究的重点，有很大的市场需求，高磁导率软磁材料的研究开发方兴未艾。
在实验室，软磁铁氧体材料的初始磁导率已经突破40000，软磁合金的磁导率更高，可超过100000，但真正实用材料的性能远低于此。因为高磁导率材料除了应具有很高的起始磁导率外，还应有高的居里温度，高的温度稳定性，低的磁导率减落系数，低的比损耗系数及宽的频带等，所以在提高磁导率的同时还要兼顾其它参数，使材料性能达到一个很好的平衡。现今工业生产中铁氧体材料的磁导率很难超过20000，绝大多数工厂生产的材料磁导率在10000左右，而合金材料的磁导率数值可达到8000，甚至更高。
目前我国软磁材料的工业大生产和国外有不小的差距，原材料和工艺的稳定性较差，生产设备比较落后，需要我们不断努力，尽早赶上世界先进水平。
而硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。硬磁铁氧体的晶体结构大致是六角晶系磁铅石型，其典型代表是钡铁氧体BaFe12O19。这种材料性能较好，成本较低，不仅可用作电讯器件如录音器、电话机及各种仪表的磁铁，而且已在医学、生物和印刷显示等方面也得到了应用。硬磁材料常用来制作各种永久磁铁、扬声器的磁钢和电子电路中的记忆元件等。稀土永磁材料的研究始于20世纪50年代末60年代初，目前已经在计算机、仪表、汽车制造、微波通讯、自动化、磁分离及磁医疗与健身器械等领域得到了广发应用。
中国稀土永磁产业现状
至1983年底，国内的稀土永磁生产厂家不到10个，随着第三代稀土永磁钕铁硼磁体的发展，大量的工厂在1985年以后涌现了出来。据初步统计表明，目前全国有稀土永磁生产企业百余家，其中年生产能力超过3000吨的有4家，年生产能力1000吨—3000吨的6家，500吨—1000吨的8家。
山西由于得天独厚的自然和低成本条件，目前已与沪杭地区、京津地区形成了中国三角鼎立的稀土永磁产业格局。2004年，山西掀起了烧结钕铁硼生产的投资高潮，全省一年内新增工厂近30家，目前毛坯工厂已达60余家。
自1985年以来的十几年间，在国家主管部门及地方政府的支持和引导下，在全国稀土永磁行业工作者的共同努力下，中国的稀土永磁产业取得了巨大的成就和发展。1996年，全球烧结钕铁硼产量为6250吨，中国的产量为2600吨，占世界总产量的29%；2000年，全球产量为13940吨，中国为6500吨，占世界总产量的47%；2005年，全球产量为42300吨，中国为33000吨，占世界总产量的78%。虽然2006年稀土原材料的上涨了一倍多，但由于强劲的市场需求、烧结钕铁硼的产量仍然保持了相当幅度的增长，中国烧结钕铁硼的产量达到了39000吨。
自2003年以来，中科三环公司通过努力，进入到了长期以日本、欧美等发达国家磁材企业所垄断的钕铁硼高端应用领域——计算机硬盘驱动器音圈电机（VCM）应用市场；目前，宁波韵声也涉足VCM磁体。在另外一个高端应用领域——汽车应用领域方面，中科三环的钕铁硼磁体已经成功应用在点火线圈、电动助力转向、气囊传感器等汽车零部件中；同时，京磁公司、中科三环，宁波韵声和山西恒磁的产品还先后进入了核磁共振成像仪领域。对上述几个稀土永磁高端应用市场的进入，标志着中国的稀土永磁产品结束了以往大部分只局限于中低端应用市场的不利局面，真正开始与日、欧发达国家磁材巨头争夺高端应用市场。
粘结钕铁硼磁体1996年全球产量为1320吨，中国的产量仅为50吨；2000年，全球粘结钕铁硼产量达到3150吨，中国为620吨，虽然占世界总产量的比例仅为20%，但年平均增长率却达到60%。近年来，我国粘结钕铁硼产量快速增长，平均年增长率超过40%。据最新统计，2005年，中国粘结钕铁硼产量达到了2100吨，占全球产量的47%。自三环公司于1993年购买了日本住友公司和美国通用汽车公司的专利许可权，成为国内第一家拥有钕铁硼产品销售专利许可权的磁体企业。2000年以来，国内先后还有四家钕铁硼磁体企业购买了该专利，分别为北京京磁、银钠金科、宁波韵升和安泰科技。
为了保护和合理利用我国稀土矿产资源，在国家宏观调控政策强有力执行下，规范和整顿了矿山开采秩序，稀土行业进行了全面整顿。2005年以来，稀土价格持续攀升，造成了稀土钕和镨的供应紧张。由于稀土永磁电机需求增加，特别是环保绿色的混合动力电动汽车带动，电机用高工作温度烧结钕铁硼使用量急剧增加，给重稀土Tb、Dy的供应造成了一定的压力。稀土原材料价格大幅上涨，人民币升值对国内钕铁硼行业带来了较大的负面影响，特别是对于生产低端产品的工厂，正面临较大的挑战。
近年来，我国稀土永磁的生产装备也有长足的进步，特别是在满足一些新的生产工艺方面的装备有了突破，例如国产速凝薄片炉和氢破碎炉已在一些磁体生产厂使用。一些国外发达国家的永磁设备制造商也瞄准了中国这块宝地，纷纷在中国设立生产基地，同时也给我国的永磁设备制造商带来了机遇和挑战。2004年9月，沈阳中北真空技术有限公司与日本真空株式会社共同投资在沈阳高新技术产业开发区兴建国内先进的真空炉生产基地，第一批连续烧结炉和速凝薄片炉已开始投放市场。
Sm2Fe17Nx稀土永磁材料具有优异的性能，备受人们青睐，有可能发展成为新一代的稀土永磁材料，但是，目前对矫顽力机制、化学成分的优化、渗氮工艺的把握以及制备高性能磁体等方面的研究还不透彻，还需要做大量工作。
中国经济发展迅速，但是毕竟起始较晚，在某些科技领域固然做出杰出成就，但是生产水平还是相对较差，一些较为先进的设备或者较大的零件仍需进口，国内研究设备落后研
究人员相对缺乏，而且由于各方面原因，中国材料科研发展缓慢，软磁材料、硬磁材料研究过程遇到很多难以解决的问题，仍然需要科研人员做大量工作。中国科学界应注意引进先进设备，培养高层次科研人才，注重经济发展带动科技快速发展。
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