納米技術與永磁體

劉榮明

提到永磁體，大概你會覺得陌生，其實它就在我們身邊。看看一輛普通的汽車：電動座椅、電動后視鏡、電動天窗、雨刮、空調器等幾十個部位要使用到各種永磁電機、電動器件和聲響器件，這些都離不開永磁體。而一輛磁懸浮列車會用掉10噸永磁材料。

永磁體是指能夠長期保持吸引鐵質物體的磁性材料。它們磁性的強弱取決于其最大磁能積，即（BH）max這一指標，如果磁能積越大，那么實際應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

當前永磁體中磁性能最強、應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年由日本和美國學者發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，理論上可達到64MGOe（兆高奧斯特）。Nd-Fe-B永磁體的吸力可以達到自身的600倍，也就是說一塊60千克的永磁體可以吸起重達36噸的集裝箱。它被稱作當代“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。“永磁之王”的研制成功，使各種永磁器件實現了超小型化。例如，美國通用汽車公司在1000cc汽車發動機上采用這種永磁體后，發動機重量減少近50%，體積也小了將近一半。

在Nd-Fe-B稀土永磁制作的電機中添加極少量的鏑（Dy）和鋱（Tb）就能夠使電機中的磁鐵變輕90%，它們是綠色能源產品的魔法配料。稀土元素鏑和鋱非常緊缺，世界上99%的鏑和鋱產自中國南方的廣東、四川、江西等地。但開采過程卻充滿污染風險，用來提取稀土元素的酸性物質可能會進入溪澗和河流，破壞稻田及漁場，污染水源，會引發極其惡劣的環境問題。嚴重缺乏稀土的日本、富產稀土但封存了本國稀土礦的美國等發達國家，因此而轉從中國進口大量廉價稀土，給中國的生態環境造成了重大壓力。

納米技術讓“磁力”倍增

由于各國對節能減排的要求不斷提高，電動汽車和風力發電等領域也對稀土永磁體的磁性能和體積提出了更高的要求。然而，當前Nd-Fe-B永久磁鐵的最高磁能積數值已經非常逼近其理論極限值（64MGOe），利用傳統的磁體制備技術很難再提高其磁性能，所以新的制備技術成為世界各國探索的焦點。

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

為何新型永磁體會有超強的“磁力”呢？在納米技術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），永磁材料的此數值較高；縱軸截矩代表著磁體的剩磁（代表磁力大小），軟磁材料則更勝一籌。曲線和縱、橫坐標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），而且傳統技術對此指標提高前景有限，如果要進一步提高其磁能積，就只能通過提高其剩磁（縱軸坐標）。而恰好軟磁材料具有較高的剩磁。通過研究發現，只要在納米尺度上將永磁材料和軟磁材料復合在一起，就可以利用納米技術制作出新型永磁體。這類磁體由于同時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勢，就會在第二象限與坐標軸包圍著比傳統永磁體更大的矩形面積，也就是說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，利用納米技術以物理或者化學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/永磁性的納米復合顆粒；然后通過高壓成型、高溫燒制，就可以獲得高性能的新型稀土永磁體。其中，最為關鍵的環節是如何用納米技術制備或者合成高性能的納米復合顆粒，這也正是利用納米技術制作新型永磁體的微妙之處。

新型永磁體將改變生活

根據理論推算，利用一片直徑為12.5厘米的這種新型納米復合永磁體，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，甚至可以使曾經難以想象的10兆瓦風力發電機成為可能，進而形成小到可以放進掌心，卻可以為一艘小型郵輪提供動力的強力磁鐵。

不但如此，新型永磁體大量使用了廉價的鐵元素，降低了稀土元素特別是資源稀缺、價格昂貴的鏑和鋱的用量，減小實際使用的體積和質量，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對中國稀土資源的依賴，有助于保護我國的生態環境。

【責任編輯】張小萌