磁性材料

磁性材料

物质的磁性主要有顺磁性、反磁性和铁磁性。物质分子中含有未成对电子时表现为顺磁性，这种物质在外加磁场中能产生一个附加磁场，表现较强的磁性，如FeSO4?H2O等。一些不含有未成对电子的物质，在外磁场作用下产生一个与外磁场反向的小磁矩，故称反磁性，如NaCl、CaO、[K4Fe(CN)6]等。像Fe、Co、Ni及其合金，在磁场作用下原子的磁矩趋于平行排列，产生一个大的磁矩，在物质内部形成一个很强的磁场，称为铁磁性物质。 1．铁氧体

铁和其他一种或多种有关金属元素的复合氧化物，叫铁氧体。从性质看它属于半导体，通常用作磁性材料。铁氧体的结晶构造主要有三种：尖晶石型铁氧体，如MⅡFe2O4，其中

MⅡ为Mg2?、Ni2?、Co2?、Cu2?、Fe2?、Zn2?、Mn2?、Cd2?等；石榴石型铁氧体，如

Y3Fe5O12，Y为Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu等稀土离子；磁铅石型铁氧体，

如BaFe12O19，其中Ba2?可用Pb、Sr2?2?代替。

按磁学性质和应用情况，铁氧体可分为软磁、永磁、旋磁、矩磁和压磁五种。 （1）软磁 它的代表物有Mn－Zn系、Ni－Zn系、Cu－Zn系、Li－Zn系铁氧体。它主要用于收音机、电视机、录像机、计算机、微波器、磁泡存储器、海洋环境监测以及磁生物医学等方面。

（2）永磁 永磁分为钴铁氧体、钡铁氧体、锶铁氧体。在多类电表、发电机、电话机、扬声器、电视机和微波器中，用它作恒磁体。

（3）旋磁 它是六方磁铅石型铁氧体，用于微波器件。

（4）矩磁 它是以锰铁氧体为基的Mn－Cu、Mn－Cd铁氧体和以镍铁氧体为基的Ni－Zn、Ni－Mn铁氧体。它用于计算机启动控制系统、电视及无线电通信、微波技术和雷达等领域，最主要的是用作计算的存储器。

（5）压磁 它是Ni－Co系铁氧体，能产生可供利用的超声波。 2．钴和镍

在镍、铁、钴三种磁性金属中，钴有最高的居里点（金属不再具有磁性的温度点），三者分别为770℃、350℃和1130℃。如果要磁铁在极度变化的条件下（包括高温）工作，钴

钢最合适了，著名的永久磁铁便是由15％钴、5％～9％铬、1％钨和碳组成的钴钢。美国生产的钴铂磁性合金抗腐蚀性能强，还能制作电表、助听器等零件。第二次世界大战中，德国投放磁性水雷使英国舰队遭受重大损失，只要钢铁船体位于水雷磁场范围内，水雷就会马上爆炸。

透磁钢（Ni和Fe）用于制造电传输和再生声音的器械中。铝镍钴合金（Al、Ni、Fe、Co）具有高的磁性，它能吸起4000倍于本身重量的铁，可用于制电磁起重机。 3．稀土永磁体

永磁材料是在某一指定空间可以产生恒定磁场的材料。永磁体应具备高饱和磁化强度

Ms、高居里温度Tc和很大的各向异性，三者缺一不可。1︰5型SmCo5永磁体是第一代稀

土永磁体，其最大磁能积（单位体积所能储存的能量）是传统永磁材料铝镍钴和铁氧体的5～10倍，使其应用领域迅速扩大。第二代产品是2︰17型的钐钴磁体。1983年日本和美国发明了钕铁硼磁体（Nb2Fe14B），成为第三代产品，它的最大磁能积高，且不含贵重金属，价格较低，因此，被称为“磁铁王”，近年来迅速发展。1996年10月日本日立公司生产的

NbFeNx，最大磁能积约为440千焦/米3。1997年我国包头稀土研究院合成了53毫米×

33毫米×26毫米、最大磁能积为（49±2）×8千焦/米、内禀矫顽力大于72千安/米的

3NbFeB，并将建成年产10～100吨的生产线，标志我国稀土永磁体的研究已处于世界领先

水平。目前，实验室已制得最大磁能积约为450千焦/米的永磁体。人们正在开发研究第四代永磁体。由于稀土永磁体优良的性能，使其在电极、医疗器械、微波通信技术、电声元件、计算机VCM磁体、仪器仪表等方面，都得到了广泛的应用。

永磁体机电产品主要包括各种类型的电动机、发电机或电磁式仪表、传感器等。每年永磁电机（特别是线型电机）产量约12亿台，主要用于汽车、办公自动化设备和家用电器中。步进永磁电机应用极广，可通过控制电路来精确调整步进位置和速度，它最先应用于石英表中。用稀土制造的有刷和无刷电机具有高功率、高效率的特点，在电力工业中有广泛应用。航天用超低温冷冻机的可动磁体式线型电机、超高层建筑减震制动用线型电机、底下空间的垂直搬运电梯用电机等，都可采用稀土永磁体。稀土永磁体刷式电机体积小、重量轻、输出功率大（20～30千瓦），可用于电动汽车。

Nb2Fe12B永磁体在医疗器械上的应用范围也很广，从大型的核磁共振成像仪（MRI）到小型的外科手术器械、磁按摩器、磁疗片等都用到它。稀土永磁体的出现，使MRI设备的

3磁体部分小型化、轻型化成为可能，所以Nb2Fe12B永磁体在MRI上的应用将是稀土永磁体最重要的应用领域之一。

在雷达、卫星通信、遥控遥测、电子跟踪和电子对抗等中使用稀土永磁体，可使器件的性能更佳。应用稀土永磁体可使扬声器和耳机中的磁路（内磁式和外磁式）结构的尺寸和质量大大减小。家用空调机、冰箱、洗衣机、烘干机和吸尘器等应用稀土永磁体，使用效果更好。

计算机硬盘和软盘驱动器中的读写磁头的移动，是由VCM（即音圈电机）来驱动的，其磁体是稀土永磁体（钕铁硼永磁体）。VCM磁体性能高、加工精度高、产品一致性好、更新速度快。目前，磁体为Sm－Co永磁体的打印头寿命在1亿次以上。

仪表是永磁体的另一重要应用领域，主要包括各种磁电、电磁式仪表。稀土永磁体特别是Nb2Fe12B的出现，使得仪表实现了精确化、微型化。稀土永磁体用于磁力传动器、制动器、夹具、磁力泵、磁性阀和锁等。一块火柴盒大小的稀土永磁体Sm－Co可吸起一个成人质量的物体。我国首创用Nb2Fe12B做成的永磁吊车系列产品，使吊车质量和体积减小，所吊重物更多，且装卸方便、安全可靠，同时节电98％、节铜100％，成本大大降低。 钕铁硼磁体将用于磁悬浮列车，目前已能让车辆飘浮1厘米高。

为了寻找宇宙中是否有反物质，以验证宇宙大爆炸理论，1998年6月3日，美国发射了“发现号”航天飞机，将一台阿尔法磁谱仪（AMS）送入了太空。AMS中最关键的永磁体是由中国科学院电子所承担的，该磁体是用包头稀土研究院提供的钕铁硼磁性材料制造的。它磁场强，漏磁非常小，磁二极矩几乎为零。这个永磁体直径1.2米，长0.8米，重2吨，磁场强度是地磁场的2800倍。

由稀土永磁体制造的永磁磁化节油器，安装在2564千焦以下的各种汽车、柴油机、拖拉机和摩托车上，具有易起动、爬坡可不换档或少换档、低速运行不熄火等优点。这种节油器节油率达10％以上，提高动力3％，减少有害气体排放30％。

此外，ErFe2合金可作超声波发生器；ErFeO3、GdCo、GdFe等材料可作电子计算机的存储元件；镉铒合金和钬铒合金在低温下具有比铁还高的饱和磁化强度，可用来制造超导电磁芯等。 4．非晶态合金

非晶态合金又叫金属玻璃，它是一种金属质玻璃（它的原子排列像玻璃那样杂乱无章、

毫无规律）或玻璃质金属（具有金属的一切性质和特点，不透明、砸不碎）。一般用骤冷方法由熔融的合金制得，骤冷速度一般是每秒108℃。熔融的金属在惰性气体的压力的推动下，通过喷嘴喷射到冷的高速旋转轴的外表面，内部通水冷却，降温速度超过了原子重新排列的速度（结晶速度），金属原子根本无法结晶，原子被“冻结”在液态时的杂乱无章状态而成为非晶态金属。用这种方法生产金属线材和带材，成材率提高1.5倍以上，能耗节约75％～80％，并可节约大量设备和基建投资。这种合金的组成有两种：一是金属和金属的组合；二是金属和准金属的组合。周期表中的大部分金属元素都可以通过合金化合来制成非晶态合金，特别是含有Si、B、P、Ge等准金属元素（15％～25％的合金和熔点相对比较低、原子半径相对比较大的金属与金属间化合物，非晶化更容易些）。实用上较多的是铁系、镍系、钴系合金。

非晶态合金既保持了晶态合金的性质，又具有某些晶态合金无法比拟的特性。近几十年来，世界上发生了一系列桥梁、油罐、飞机、轮船等断裂或爆炸事故，究其原因大多数与金属的结构缺陷有关。而在非晶态合金中，原子是均匀分布的，不会产生内部缺陷，所以它在强度、硬度、韧性等许多方面都远远胜过晶态合金。例如，铁系非晶态合金的强度可达

450千克/厘米2，为普通高碳钢的3倍多，比超强度钢高出1倍，适宜做高压容器和火箭等

关键部位零件；非晶态合金的硬度甚至超过了高硬度工具钢，其延伸率达50％～100％，断裂韧性是钢的5倍。另外，非晶态合金抗蚀能力也特别强，比最好的不锈钢的抗蚀能力还高100倍。例如，含铬8％的非晶态合金浸泡在酸性溶液里168小时后，用微量天平检验，未见任何质量变化，基本上没受腐蚀。进一步研究证明，其腐蚀速度只有不锈钢的百万分之一；放在海水里试验，拉伸试样也没有出现由应力腐蚀所引起的裂纹。据此可在钢板表面涂上一层几十毫米厚的非晶态合金，制造各种类型的化工反应设备，或用作电极材料和过滤材料。 最引人注目的是非晶态合金的磁学特性。某些非晶态合金是非常理想的软磁材料（在磁场中很快被磁化，离开磁场又很快退磁），而且磁性小、磁损耗低、高频特性好，兼有力学性能“硬”和磁学性能“软”的优点，可以广泛地用到配电变压器、脉冲变压器、电动机、磁头、传感器以及其他高性能的电子器件上。例如，用非晶态铁硼合金代替硅钢作铁心材料，用于大功率分数电压器，电能损耗可以减少60％～80％。我国现有的电力变压器如果都用铁心损耗低的非晶态合金替代常规的冷轧硅钢片，那么输电中由变压器铁心产生的电能损耗就可以减少75％，一年可节电几十亿千瓦时。用作磁电源变压器时，非晶态合金的性质比铁氧体好，而且体积小75％，重量轻一半。用钴基非晶态合金制作录音机、录像机磁头，

与普通磁头相比失真度降低一半，而且耐磨，使用寿命提高3倍以上。用非晶态钕铁硼合金作永磁材料，比目前广泛使用的钐钴永磁材料价廉物美。因非晶态合金具有极好软磁性，可以用作磁屏材料、热敏元件转换材料、磁分离材料、振子材料等。有些非晶态合金可以用来制作计算机磁泡储存器；有些非晶态合金（如非晶态铜基合金）还可制成记忆合金。

此外，非晶态合金在磁软伸缩、超导、压电、催化、光电转换等性能方面，都比一般晶体合金优良，有待人们进一步研究和开发利用。

选自《化学与人类》