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文檔簡介

1、稀土永磁材料摘要:本文主要介紹稀土永磁材料的性能、原理、分類、應(yīng)用和發(fā)展前景。稀土 永磁材料以其高剩磁、 高矯頑力、 高磁能積等優(yōu)異的綜合磁性能在通信交通醫(yī)療 航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在 應(yīng) 用 稀 土 的 各 個(gè) 領(lǐng) 域 中 ,稀 土 永 磁 材 料是發(fā) 展速 度最 快的 一 個(gè)。它 不僅 給稀 土產(chǎn) 業(yè)的 發(fā)展 帶來 巨大 的 推動(dòng) 力 ,也 對許 多相 關(guān)產(chǎn) 業(yè)產(chǎn) 生相 當(dāng)深 遠(yuǎn)的 影 響,研 究稀 土 永磁材 料 已經(jīng) 成為一個(gè)相當(dāng)具有戰(zhàn)略性的課題。關(guān)鍵詞:稀土、永磁材料、微電子引言:稀 土永磁材料是現(xiàn)在已知的綜合性能最高的一種永磁材料 ,它 比十九世紀(jì)使用的磁鋼的磁性能高 10

2、0 多倍,比鐵氧體、鋁 鎳鈷性能 優(yōu)越得 多 ,比 昂 貴的 鉑鈷 合金 的磁 性能 還 高一 倍。由 于稀 土永 磁 材料 的使用,不 僅促進(jìn)了永磁器件向小型化發(fā)展,提高了產(chǎn)品的性能,而 且促使某些特殊器件的產(chǎn)生,所以稀土永磁材料一出現(xiàn) ,立即引起各 國的極大重視,發(fā) 展極為迅速。我國研制生產(chǎn)的各種稀土永磁材料的 性能已接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平。現(xiàn)在稀土永磁材料已成為電子技術(shù)通訊中的重要材料,用在人 造衛(wèi)星,雷達(dá)等方面的行 波管、環(huán)行器中以及微型電機(jī)、微型錄音機(jī)、 航空儀器、電子手表、地 震儀和其它一些電子儀器上。目 前稀土永磁 應(yīng)用已滲透到汽車、家用電器、電 子儀表、核磁共振成像儀、音 響設(shè)

3、 備 、微 特 電 機(jī) 、移 動(dòng) 電 話 等 方 面 。在 醫(yī) 療 方 面 ,運(yùn) 用 稀 土 永 磁 材 料 進(jìn) 行“磁 穴療法 ”,使得療效大為提高,從而促進(jìn)了“磁穴療 法”的迅 速推廣。在 應(yīng)用稀土的各個(gè)領(lǐng)域中,稀土永磁材料是發(fā)展速度最快的 一 個(gè) 。它 不 僅 給 稀 土 產(chǎn) 業(yè) 的 發(fā) 展 帶 來 巨 大 的 推 動(dòng) 力 ,也 對 許 多 相 關(guān) 產(chǎn) 業(yè)產(chǎn)生相當(dāng)深遠(yuǎn)的影響。一、磁材料的原理物質(zhì)的磁性類型主要有順磁性、 反磁性和鐵磁性等。 物質(zhì)分子中含有未成對 電子時(shí)表現(xiàn)為順磁性, 順磁性物質(zhì)在外磁場中能產(chǎn)生一個(gè)附加的磁場, 表現(xiàn)出較 強(qiáng)的磁性,如鐵氰化鉀(赤血鹽)&Fe (CN

4、 6、硫酸亞鐵(FeSQ HO等。 而一些不含有未成對電子的物質(zhì), 在外磁場作用下, 產(chǎn)生一個(gè)與外磁場反向的小 磁矩,故稱為反磁性,如食鹽(NaCI)、氧化鈣(CaO、亞鐵氰化鉀(黃血鹽) K4Fe( CN 6等。還有一類物質(zhì),它們通常是金屬或合金,屬于鐵磁性物質(zhì)。 鐵磁性物質(zhì)在磁場作用下, 原子的磁矩趨于平行排列, 產(chǎn)生一個(gè)大的磁矩, 在物 質(zhì)內(nèi)部形成一個(gè)很強(qiáng)的磁場, 這類物質(zhì)稱為鐵磁性物質(zhì)。 最熟悉的例子有鐵、 鈷、 鎳以及它們的合金等。永磁材料, 就是指經(jīng)過磁化以后, 具有長期保持磁性的物質(zhì)。 1932年發(fā)現(xiàn)的鈷 鐵氧體、鋇鐵氧體、 鍶鐵氧體是最早使用的永磁材料。 它們是以氧化鐵為主要成

5、 分的復(fù)合氧化物。(MFeO, M= CO+、Bf、Sr2+、Mg+),這些鐵氧體在無外加磁場時(shí),不顯示 磁性,但當(dāng)外加磁場時(shí),鐵氧體被磁化,產(chǎn)生很強(qiáng)的磁性,在移去外磁場后,磁 性仍可保留,故稱永久磁鐵,如 Co0.75Fe2.25Q等。稀土原子具有比鐵、鉆、鎳更 多的未成對自旋電子,電子自旋產(chǎn)生的磁矩與電子軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩加和起 來,使稀土原子具有很高的原子磁矩, 這些原子磁鐵在晶體中還可以構(gòu)成無數(shù)個(gè) 小區(qū)域,在外磁場作用下, 在這些小區(qū)域內(nèi)原子按磁矩方向排列起來, 形成磁疇。 這便大大加強(qiáng)了稀土合金材料的磁性。稀土永磁材料是將釤、釹混合稀土金屬與過渡金屬( 如 鉆、鐵等) 組成的合金,用

6、粉末冶金方法壓型燒結(jié),經(jīng)磁場充磁后制得的一種磁 性材料。、 稀土永磁材料分類1. 稀土鉆永磁材料,包括稀土鉆(1-5型)永磁材料SmCo5和 稀土鉆(2-17型)永 磁材料Sm2Co17兩大類。1968年研制出了一類稀土 鉆永磁材料,其中以SmCo SmCo7等釤鉆磁體磁性最佳。一塊火柴盒大小的稀 土永磁體SmC50可以吸起一個(gè)成年人重量的鐵物體。用這種磁體制造的電子器件, 不僅體積小、 重量輕, 而且還大大降低了成本, 故在現(xiàn)代電子通訊技術(shù)中有著廣 泛的應(yīng)用。 例如可用于制造人造衛(wèi)星、 雷達(dá)所用的行波管和環(huán)行器, 用于制造原 子鐘、微型電機(jī)、微型揚(yáng)聲器、電子手表,用于辦公室自動(dòng)化設(shè)備,如制造

7、軟盤 和硬盤驅(qū)動(dòng)裝置,以及醫(yī)療磁片等。釤鉆磁體雖然具有磁能積高、居里溫度(物 質(zhì)呈現(xiàn)鐵磁性的最高溫度)高(727C)等優(yōu)點(diǎn),但釤是比較短缺的稀土元素, 在原料供應(yīng)上沒有牢靠的保證。因此稀土鐵氧體磁體仍有發(fā)展?jié)摿Α? .稀土釹永磁材料,NdFeB永磁材料。釹鐵硼(NdFeB)磁性材 料是由日本住友特種金屬公司( SSM)C 于 1983年推出的一種新型高磁能積磁性 材料。如以兆高奧為最大磁能積單位,則鐵氧體為3.7、釤鉆為 21.0 ,而燒結(jié)Nc2Fei4B的額定值為37.0 (實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)為50.6)。釹鐵硼磁體的拉伸和彎 曲強(qiáng)度是釤鉆磁體的 2 倍,易于車削和處理, 燒結(jié)產(chǎn)品的密度低,

8、故能將磁路設(shè) 計(jì)得小巧輕便。原料價(jià)格比鐵氧體高,但比釤鉆低,因此被稱之為“磁鐵王”, 具有極好的發(fā)展前景。據(jù)統(tǒng)計(jì), 1986年在世界生產(chǎn)的磁體中,日本占 42,美 國為 28,西歐國家為 20,其他為 10。釹鐵硼磁體約 60用于制造諸如電 子計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器、 辦公自動(dòng)化設(shè)備的小型馬達(dá)、 視頻照相機(jī)和錄像機(jī)等音像 設(shè)備及汽車電子設(shè)備上用的馬達(dá), 15用于制造計(jì)量設(shè)備, 10用于音頻揚(yáng)聲 器,其余的 15用于醫(yī)學(xué)上使用的磁共振成像系統(tǒng)以及其他各種應(yīng)用領(lǐng)域。有 人分析,隨著汽車工業(yè)的發(fā)展, 釹鐵硼磁體的需求量將會進(jìn)一步增加, 這是因?yàn)?一輛新型小汽車需平均安裝約 40個(gè)馬達(dá),要求使用許多的小巧而

9、磁能積高的稀 土永磁體。3. 稀土鐵氮( RE-Fe-N 系) 或稀土鐵碳( RE-Fe-C 系) 永磁材 料。判斷永磁材料性能優(yōu)劣的一個(gè)綜合指標(biāo)是最大磁能積 (BH)max,現(xiàn)有商用的 稀土粘結(jié)永磁材料是快淬釹鐵硼磁粉,最大磁能積是 1018兆高奧,稀土鐵氮 磁粉最大磁能積是2040兆高奧。稀土鐵氮磁粉具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。稀土鐵氮新材料與市場現(xiàn)有磁性材料釹鐵硼相比成本較低, 主要原因是磁粉 中稀土相對含量少, 同時(shí)無需摻雜鈷等價(jià)格昂貴的金屬。 另外, 稀土鐵氮新材料 中的稀土成分可以是釹,也可以是釤,市場上釤的價(jià)格遠(yuǎn)低于釹。三、稀土永磁材料制備工藝分類1粉末冶金燒結(jié)工藝制備的燒結(jié)磁體;2 還

10、原 擴(kuò) 散 制 粉 或 氫 碎 處 理 粉 末 及 粉 末 冶 金 燒 結(jié) 工 藝 制 備的 燒 結(jié) 磁 體;3快速凝固制粉或氫碎制粉(HDDR,粉末模壓粘結(jié)工藝制備的粘結(jié) 磁體;4快速凝固制粉或氫碎(HDDR粉末的注射工藝制備的注射磁體; 5快速凝固制粉或氫碎(HDDR粉末的熱壓法制備的熱壓磁體; 6 用熱 壓 磁 體 再 進(jìn) 行 熱變 形 壓 工 藝 制 備 的 各向 異 性 熱變 形壓 磁 體 ; 7 將熱 變 形 壓 磁 體 磨 制 成 粉 , 再 采 用 模 壓 或 注 射 等 方 法 制 備 成 各 向 異性粘結(jié)磁體。四 、稀 土 永 磁 材 料 的 主 要應(yīng) 用永 磁 體 最基

11、本 的 作 用是 在 某 一特 定 的 空間 產(chǎn) 生 一恒 定 的 磁 場 ,維 持 此磁 場 并 不需 要 任 何 外部 電 源 。標(biāo) 志 永 磁 材 料 好 壞的 參 數(shù) 有 許 多 , 最 重要 的 是 最大 磁 能 積 (BH)max ,磁 能積 越 大 ,材料 每 單 位體 積 所 產(chǎn) 生 外磁 場 的 能量 就 越 大 。目 前 商品 NdFeB 永 磁 材 料的 最 大 磁能 積 已 達(dá) 到:50MGOe由于稀土永磁材料的高磁能積和高矯頑力等優(yōu)異的特性, 已 給永 磁 應(yīng) 用帶 來 革 命 性 的 變 化 ,稀 土 永 磁 材 料 主要 應(yīng) 用 在以 下 幾 個(gè) 方面:1機(jī)電類稀

12、 土 永 磁 體 的 出 現(xiàn) , 意 味 著 電 機(jī) 領(lǐng)域 將 引 起革 命 性 的 變 化 。 這 是 因?yàn)?稀 土 永 磁 體 沒 有 激磁 損 耗 ,不發(fā) 熱 ,用 它 制 造 的 電機(jī) 優(yōu) 點(diǎn) 很 多 。 因 稀 土 永 磁 電機(jī) 沒 有 激 磁 線 圈 與 鐵心 ,磁 體 體 積 較原 來 磁 場極 所 占 空 間 小,沒 有 損耗 ,不 發(fā) 熱 ,因 此 為 得 到 同 樣 輸 出 功 率整 機(jī) 的 體 積 ,重 量 可減 小 30%以 上 , 或 者 同 樣 體 積 、 重 量 , 輸 出 功 率大 50%以 上。永 磁 電 機(jī) , 尤其 是 微 電 機(jī) , 每 年 世界 產(chǎn) 量

13、 約幾 億 臺 之多 , 主 要 用 在汽 車 、辦 公 自動(dòng) 化 設(shè) 備 和 家 用 電器 中 。所 使 用的 多 為 高 性 能 的 鐵 氧體和稀土永磁體。今 后稀 土 永 磁 電 機(jī) 的 最 大 市 場 之 一將 是 汽 車工 業(yè) 。 釹鐵 硼 永 磁 材 料 性 能 優(yōu) 異 ,用 于 制 造 電 機(jī) ,可 以 實(shí) 現(xiàn) 汽 車 電 機(jī) “ 釹 鐵 硼 化 ” 。在 汽 車方 面 ,只 有 用 小 馬達(dá) ,才 能 降 低汽 車 重 量 ,增 加舒 適 感 ,提 高 安 全 性 ,降 低 尾 氣 排 放 ,提 高 汽 車 的 整體 性 能 ,目 前用 量 最 大的 是 啟 動(dòng) 電 機(jī)。 電

14、機(jī) 是汽 車 中 不 可缺 少 的 部件 , 汽 車上 電 機(jī) 數(shù)量 在 逐 年 增 加 。 一般汽車上有818臺,高級轎車多達(dá)4050臺,隨著汽車工業(yè)的 發(fā) 展,汽 車 電 機(jī) 的 需 求 是 巨 大 的 。高 磁 能 積 的 稀 土 永 磁 體 體 積 小 ,卻能較鐵氧體產(chǎn)生大得多的動(dòng)力,因 此提高了電效率。通過使用稀土磁體減少重量和尺寸,可以節(jié)約更多的燃料和增加設(shè)計(jì)的靈活性。2 稀 土 永 磁 材 料 在 醫(yī) 療 中 的 應(yīng) 用3 磁 選 機(jī)一 般 的 磁 選 機(jī) 有 永 磁 式 和 電 磁 式 兩 種 ,以 前 ,永 磁 式 磁 選 機(jī) 的 磁 體多用鐵氧體。稀 土永磁出現(xiàn)后,設(shè)計(jì)并制

15、造了各種型號和類型的永 磁磁選機(jī),尤其是在中高磁場磁選機(jī)中,必須用稀土永磁體。4計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備在計(jì)算 機(jī)中 使用 的稀 土 永磁 材料 最多 的器 件是 磁盤 驅(qū)動(dòng) 電機(jī) ( VCM), 另一種是數(shù)據(jù)輸出打印機(jī)電機(jī)。5 各種 儀表使用永磁體的儀表種類很多,如磁電式儀表、計(jì)數(shù)器等。6 揚(yáng) 聲 器 和 耳 機(jī)揚(yáng) 聲 器 和 耳 機(jī) 是 永 磁 體 傳 統(tǒng) 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 。揚(yáng) 聲 器 有 外 磁 式 和 內(nèi) 磁 式 二 種 ,稀 土 永 磁 出 現(xiàn) 后 在 同 樣 輸 出 功 率 與 音 質(zhì) 下 ,揚(yáng) 聲 器 被 做 得 非 常 小,目前稀土永磁揚(yáng)聲器和耳機(jī)已應(yīng)用到高級隨身聽。7 微波 器件在微

16、波領(lǐng)域中,微波管、毫波管發(fā)生器或放大器需要穩(wěn)定磁場。 稀土永磁體在此中主要起電子運(yùn)動(dòng)的聚集作用。五、稀土永磁材料現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢近 年 來 稀 土 永 磁 材 料 在 國 內(nèi) 的 應(yīng) 用 發(fā) 展 很 快 ,目 前 已 應(yīng) 用 于 一 般 電 機(jī) 、大 電 機(jī) 如 磁 力 泵 、磁 選 設(shè) 備 、永 磁 吊 車 和 家 用 電 器 等 方 面 。但 與西方國家相比,我國生產(chǎn)的釹鐵硼磁體,包括出口,用 得最多的是 音響器件( 中國是全球最大的揚(yáng)聲器生產(chǎn)者,國產(chǎn)釹鐵硼有近一半用 于 制 造 揚(yáng) 聲 器 ), 其 次 是 電 機(jī) 和 油 井 除 蠟 器 。 而 在 音 圈 馬 達(dá) 等 國 外 用 量最多的領(lǐng)域,我 國的應(yīng)用還很少。其原因在于這兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域所用 的磁體,不 僅要求磁性能高,均勻性、一 致性好,而且要求加工精度 高,鍍層質(zhì)量好,國內(nèi)大多數(shù)廠家的產(chǎn)品難于滿足上述使用要求。參考文獻(xiàn):1.rn

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