納米技術(shù)與永磁體

劉榮明

提到永磁體，大概你會(huì)覺(jué)得陌生，其實(shí)它就在我們身邊。看看一輛普通的汽車：電動(dòng)座椅、電動(dòng)后視鏡、電動(dòng)天窗、雨刮、空調(diào)器等幾十個(gè)部位要使用到各種永磁電機(jī)、電動(dòng)器件和聲響器件，這些都離不開(kāi)永磁體。而一輛磁懸浮列車會(huì)用掉10噸永磁材料。

永磁體是指能夠長(zhǎng)期保持吸引鐵質(zhì)物體的磁性材料。它們磁性的強(qiáng)弱取決于其最大磁能積，即（BH）max這一指標(biāo)，如果磁能積越大，那么實(shí)際應(yīng)用需要的永磁體的體積將越小，用量和成本也將隨之降低。

“永磁之王”稀土永磁

當(dāng)前永磁體中磁性能最強(qiáng)、應(yīng)用最廣的是稀土永磁材料，它是將釤（Sm）、釹（Nd）等稀土金屬元素，鈷（Co）、鐵（Fe）等過(guò)渡族金屬元素和其他微量金屬元素組成的合金材料，主要分為Sm-Co系永磁體和Nd-Fe-B系永磁體兩大類。

Nd-Fe-B系永磁體，是1983年由日本和美國(guó)學(xué)者發(fā)明的具有最高磁能積的新型稀土永磁材料，它的磁能積非常高，理論上可達(dá)到64MGOe（兆高奧斯特）。Nd-Fe-B永磁體的吸力可以達(dá)到自身的600倍，也就是說(shuō)一塊60千克的永磁體可以吸起重達(dá)36噸的集裝箱。它被稱作當(dāng)代“永磁之王”，是目前磁性最高的永磁材料，也是綜合性能最高的一種永磁材料?！坝来胖酢钡难兄瞥晒?，使各種永磁器件實(shí)現(xiàn)了超小型化。例如，美國(guó)通用汽車公司在1000cc汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上采用這種永磁體后，發(fā)動(dòng)機(jī)重量減少近50%，體積也小了將近一半。

在Nd-Fe-B稀土永磁制作的電機(jī)中添加極少量的鏑（Dy）和鋱（Tb）就能夠使電機(jī)中的磁鐵變輕90%，它們是綠色能源產(chǎn)品的魔法配料。稀土元素鏑和鋱非常緊缺，世界上99%的鏑和鋱產(chǎn)自中國(guó)南方的廣東、四川、江西等地。但開(kāi)采過(guò)程卻充滿污染風(fēng)險(xiǎn)，用來(lái)提取稀土元素的酸性物質(zhì)可能會(huì)進(jìn)入溪澗和河流，破壞稻田及漁場(chǎng)，污染水源，會(huì)引發(fā)極其惡劣的環(huán)境問(wèn)題。嚴(yán)重缺乏稀土的日本、富產(chǎn)稀土但封存了本國(guó)稀土礦的美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，因此而轉(zhuǎn)從中國(guó)進(jìn)口大量廉價(jià)稀土，給中國(guó)的生態(tài)環(huán)境造成了重大壓力。

納米技術(shù)讓“磁力”倍增

由于各國(guó)對(duì)節(jié)能減排的要求不斷提高，電動(dòng)汽車和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域也對(duì)稀土永磁體的磁性能和體積提出了更高的要求。然而，當(dāng)前Nd-Fe-B永久磁鐵的最高磁能積數(shù)值已經(jīng)非常逼近其理論極限值（64MGOe），利用傳統(tǒng)的磁體制備技術(shù)很難再提高其磁性能，所以新的制備技術(shù)成為世界各國(guó)探索的焦點(diǎn)。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，中國(guó)、美國(guó)、日本、韓國(guó)等都在積極研究用納米技術(shù)制造一種被稱為“納米復(fù)合永磁體”的新型稀土永久磁鐵。它是利用納米技術(shù)將永磁材料和軟磁材料相互復(fù)合在一起而形成的，擁有著遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有Nd-Fe-B永久磁鐵的2倍以上的磁能積，理論數(shù)值高達(dá)90~120MGOe。

為何新型永磁體會(huì)有超強(qiáng)的“磁力”呢？在納米技術(shù)制作新型永磁體原理圖中（圖1），橫軸截矩代表磁體的矯頑力（磁體保持磁力、抵抗外界干擾的能力），永磁材料的此數(shù)值較高；縱軸截矩代表著磁體的剩磁（代表磁力大?。?，軟磁材料則更勝一籌。曲線和縱、橫坐標(biāo)軸之間包圍著的最大矩形面積代表著磁體的磁能積，此面積越大代表磁體的磁能積越大。

永磁材料具有較高的矯頑力（橫軸坐標(biāo)），而且傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)此指標(biāo)提高前景有限，如果要進(jìn)一步提高其磁能積，就只能通過(guò)提高其剩磁（縱軸坐標(biāo)）。而恰好軟磁材料具有較高的剩磁。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，只要在納米尺度上將永磁材料和軟磁材料復(fù)合在一起，就可以利用納米技術(shù)制作出新型永磁體。這類磁體由于同時(shí)兼具了軟磁材料的較高剩磁和永磁材料的較高矯頑力兩大優(yōu)勢(shì)，就會(huì)在第二象限與坐標(biāo)軸包圍著比傳統(tǒng)永磁體更大的矩形面積，也就是說(shuō)新型永磁體能夠具有前所未有的高磁能積。

納米永磁材料具體是如何制成的呢？首先，利用納米技術(shù)以物理或者化學(xué)合成的方式研制出高性能的永磁納米顆粒；然后，在這些永磁納米顆粒上均勻地包裹上一層軟磁性的鐵納米顆粒，就形成了軟磁性/永磁性的納米復(fù)合顆粒；然后通過(guò)高壓成型、高溫?zé)?，就可以獲得高性能的新型稀土永磁體。其中，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是如何用納米技術(shù)制備或者合成高性能的納米復(fù)合顆粒，這也正是利用納米技術(shù)制作新型永磁體的微妙之處。

新型永磁體將改變生活

根據(jù)理論推算，利用一片直徑為12.5厘米的這種新型納米復(fù)合永磁體，將足以吸起7噸重的卡車。新型永磁體的磁能積的大幅增加，將大大縮小永磁材料體積，可以使新興的電動(dòng)汽車更加小巧靈活，也可以使龐大的核磁共振掃描儀變成便攜手提式，甚至可以使曾經(jīng)難以想象的10兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為可能，進(jìn)而形成小到可以放進(jìn)掌心，卻可以為一艘小型郵輪提供動(dòng)力的強(qiáng)力磁鐵。

不但如此，新型永磁體大量使用了廉價(jià)的鐵元素，降低了稀土元素特別是資源稀缺、價(jià)格昂貴的鏑和鋱的用量，減小實(shí)際使用的體積和質(zhì)量，從而大幅降低了原材料成本，并有效提高了磁性能。這非常有助于減少世界各國(guó)對(duì)中國(guó)稀土資源的依賴，有助于保護(hù)我國(guó)的生態(tài)環(huán)境。

【責(zé)任編輯】張小萌