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磁性材料技术的最近发展动向及技术前景
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磁性材料展厅
磁芯, 铁氧体, ...
一、永磁体

由于永磁体不需要从外部施加电能便能够提供磁场,所以被应用到各个领域。以Nd-Fe-B系磁体为代表的稀土系磁体,因其显示磁体强度的最大磁能积高,对设备的小型化、高性能化做出了贡献,是生产量最大的永磁材料。而铁氧体磁因其性能价格比高,所以在生产量上成为比稀土族还多的永磁材料。与此相比,阿尔尼科铁镍铝钴系磁性合金等合金系磁体的优越地位在下降,并停止了其研究。在这种情况下值得注意的是Nd-Fe-B系烧结磁体特性的飞速提高,以HDDR(高密度数字记录)、纳米合成磁体为代表的粘结磁体的进步。另外,在铁氧体磁体中还有通过La、Zn、Co或置换的高性能铁氧体磁体。

二、Nd-Fe-B系烧结磁体

Nd-Fe-B系烧结磁体的制造,与主相化合物相相比,采用的是富相的组成。这是利用析出的富ND相促进烧结,消除主相表面的磁畴的发生部位。因富Nd相为非强磁性相,所以存在降低磁化,易被氧化的问题。所以有必要尽量减少。最近,在极接近Nd2Fe14B化学计量组成的合金中,通过控制初晶铁析出的溶解铸造法,即带铸法(Strip Casting)、控制粒度分布的粉碎法、静水压或拟静水压等制造工艺,获得了高达444kjm-3的磁能积,其批量化生产也获得了成功。

三、Nd-Fe-B系粘结磁体

把磁性粉和橡胶及树脂等混合,再经注射成形成或挤压成形的称作粘结。由于能制成薄型和复杂形状,所以在小型电动机方面的需求急剧增加。目前,Nd-Fe-B系粘结磁体用粉末的制造方法有液体急冷法和HDDR法,而液体急冷法正被作为各向同性粉末的制造方法而被确定下来。最近有消息称,美国MQL公司将于2005年以25美元/kg的价格出售粘结磁粉,这似乎将加剧粘结的低价格竞争。 另外,由于HDDR法能够制造各向异性粉,所以作为高性能粘结用粉的制造方法已被实际应用。以前为了制造各向异性磁粉,认为添加钴等元素是必不可缺少的。但通过势力学求证HDDR现象的氢压力和温度的关系曲线(P-T典线),并通过基于该曲线的热处理,发现即使无添加合金,也能得到各向异性磁粉。今后期望搞清楚各向异性的机理、改善温度特性及不可逆退磁率等。

四、纳米合成磁体

人们希骥把a-Fe, Fe3B 等软磁相与Nd2Fe14B等硬磁相以纳米尺寸析出,从而获得高剩余磁通密度(Br)和高磁能积的纳米合成磁体。这种磁体也被称作交换弹性磁体。该磁体即使退磁到接近矫顽力,一旦去掉磁场,磁化即像弹簧一样又回复到接近矫顽力。这是矫顽力低的软磁相和矫顽力高的硬磁相相互交换作用的磁性结合。即使软磁相的磁化被退磁场反转,退磁磁场一旦达到零,便被硬磁相拉升而复原。在以 Fe70Co30 合金作为软磁相在结晶单向取向的纳米合成磁体方面,理论计算磁能积可望达到IMjm-3 以上。对此正在进行组织观察,通过微磁学的解析及通过添加Cr、 Cu、 Nb等元素,进行提高其性能的研究,最近也在进行薄膜和多层膜的研究,并有报告称 Fe-FePt的磁能积已超过400kjm-3,并期望进一步提高。

发现Nd2Fe14B化合物之后,仍在三元系中寻找新的化合物,并发现了饱和磁通密度Js=1.54T、异相磁场 HA=20.8MAm-1 的高磁性Sm2Fe17Nx化合物。但由于 Sm2N与 a-Fe在温度600℃以上发生分解,所以正以粘结体用粉的应用为中心进行研究。目前使用该还原法 (RD)制造的粉末已能批量生产具有磁能积100~160 kjm-3的注射成形粘结磁体用粉。在使用急冷的制造方法中,通过添加Zr使准稳定相 TbCu17单相析出,或者制成由a-Fe和准稳定相TbCu17组成的纳米合成磁体,并获得了高的磁特性。

五、铁氧体磁体

铁氧体磁体是以使用Mo6Fe2O3(M=BaSr)为代表的磁体矿酸盐型(M型)化合物的永磁体。其磁性是通过Fe3+ 的O2-的超交换相互作用为基础的亚铁磁性而发现的,最近通过用La4+置换S3+r,并用Z2+1Co2+置换具有四配位侧(4f1) 的下自旋磁矩的Fe3-,相对增加上自旋Fe3+的量,以增加饱和磁通密度Js°现已有报道称,已制造出磁能积在40kjm-3以上,并被实际实用的磁体。

六、磁芯材料

磁芯材料要求具有:1.高的饱和磁通密度;2.低的矫顽力;3.高的导磁率;4.零磁致伸缩等。以前的磁芯磁性材料有硅钢板、高导磁体镍合金、仙台铁硅铝磁性合金(5Al、10Si余量为Fe)等金属材料和铁氧体氧化物材料,新加入的有6.5%硅钢板、非晶材料、纳米结构材料、金属-非金属纳米晶材料等,其材料特性正在提高。

七、6.5%硅钢板

近年来高频设备在增加,但随着高频化的发展,出现了铁损增加及磁致伸缩而带来的噪音问题。作为与此相对应的磁芯材料,人们很早以来就察知了阻抗高且磁致伸缩为零的6.5%硅钢,并一直在试制其薄板的工业化生产。但由于增加硅后其加工性降低,所以尚不能进行工业化生产,但近年来生产了3%的薄钢板,在高温中对其喷涂SiCl4,使其连续反应、扩散的连续漫硅法,已经工业化生产出6.5%硅钢板,并作为高频、低噪音磁芯材料被实际应用。

八、非晶材料及纳米晶体材料

在非晶材料中,由于其晶体磁性各相异性为零,以磁致伸缩为零的组成合金进行等温退火,开发出磁致伸缩为零的Co系液体急冷薄板带、高饱和磁化低铁损系急冷薄带、 Co-Fe-B 系及C((Zr、Hf、Nb、Ti、Ta)薄膜等。纳米结晶材料刚开始是通过热处理,由非晶钛制成粒径10~20μm 结晶组织的FeSiBNbCu薄带,而后开发出Fe-Hf-C 薄膜等。人们认为,由纳米晶粒组成的多晶体通过晶体粒子间的相互作用及漏磁通的双极相互作用,各个纳米粒的本身的磁化是在几个集团中相互平行进行的。这时晶体磁性各相异性被平均化,实效性的各向异性常数变小,并且大大地削弱了磁致伸缩,从而发现了优越的软磁性。最近利用精密电镀法制造的高饱和磁通密度的CoNiFe膜受到人们的重视。该膜利用磁共析制造混晶结构,以使晶体微细化,是一种低矫顽力的方法。报告称,其特性为B= 1.9~2.1T,CH=1.2Oe λs=1.8×10-6。目前正在试制混合磁头和超小型磁头等,期待能成为下一代磁头材料。

九、金属——非金属混合软磁材料

为了降低金属磁芯材料的涡流电流损失,必须增加电阻。金属——非金属纳米软磁性材料是在SiO2 、Al2O3等绝缘体相的基体中析出 Co、 Fe等纳米磁性结构的组织,其特点是同时具有软磁性和高电阻。软磁性的发现机理基本上与纳米晶材料相同,但电阻却高达数倍或几十倍。因此显示出超过传统铁氧体材料的优异的高频特性。以前主要是研究 Co(-Fe)-Al-O 、Fe-(B 、Si、 Al、 Hf、 Zr、 M )-(O 、N)等膜。最近也在研究频率达到200MH2导磁率接近3000的Fe-Mg-Ag-O系薄膜等。进而通过粒子间的隧道传导,认识非金属——金属软磁材料的磁阻效应,并作为磁材料受到重视。作为制造方法,一般是使用溅射法,但也可使用金属——氧化物同时电极沉淀法等。今后金属——非金属纳米混合软磁材料有望用于超高频线圈、超高密度磁记录磁头。

十、展望

在永磁材料领域,从开发Nd-Fe-B系永磁体至今已近20年。经过各种改善,其特性一直在提高,但现在还没有开发出超越上述磁体的具有绝对特性的磁性材料。在这种情况下,还不能说磁体产业已经达到了成熟期,原料、制品都已经进入了价格竞争时代。考虑到将来的永磁体材料的研究,有必要注意下述三点:1.为了开发新的磁性材料进行基础性研究;2.寻找新的应用领域并促使其发展;3.制造适合用途的制品;(1)稀土族磁体的发现也是从测定稀土族化合物的磁力性质开始的,在考虑该项研究时,不应仅限于稀土族化合物,开展其它化合物磁性的基础研究也是很重要的;(2)一提到磁体应用,电动机便成为绝对的用途,应探索和扩大除此以外的用途。作为制品,开拓磁体材料特性允许值的意义也是重要的;③永磁材料以磁能积的高低决定卖钱多少的时代已不复存在,与磁芯材料一样,必须生产出适合用途、并且最适合其用途的制品的时代已经到来。另处,从环境观点出发,制造适合再利用的制品也很重要。随着磁记录的高密度化、高速化的发展,要求磁芯材料也要进一步高功能化。换而言之,期望更高磁通密度、高阻抗、高频相对应的材料。目前的研究一般使用溅射法,但考虑到成本,继续引进新的制造工艺等也是相当重要的。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (10/19/2005)
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