纳米技术与永磁体

刘荣明

提到永磁体，大概你会觉得陌生，其实它就在我们身边。看看一辆普通的汽车：电动座椅、电动后视镜、电动天窗、雨刮、空调器等几十个部位要使用到各种永磁电机、电动器件和声响器件，这些都离不开永磁体。而一辆磁悬浮列车会用掉10吨永磁材料。

永磁体是指能够长期保持吸引铁质物体的磁性材料。它们磁性的强弱取决于其最大磁能积，即（BH）max这一指标，如果磁能积越大，那么实际应用需要的永磁体的体积将越小，用量和成本也将随之降低。

“永磁之王”稀土永磁

当前永磁体中磁性能最强、应用最广的是稀土永磁材料，它是将钐（Sm）、钕（Nd）等稀土金属元素，钴（Co）、铁（Fe）等过渡族金属元素和其他微量金属元素组成的合金材料，主要分为Sm-Co系永磁体和Nd-Fe-B系永磁体两大类。

Nd-Fe-B系永磁体，是1983年由日本和美国学者发明的具有最高磁能积的新型稀土永磁材料，它的磁能积非常高，理论上可达到64MGOe（兆高奥斯特）。Nd-Fe-B永磁体的吸力可以达到自身的600倍，也就是说一块60千克的永磁体可以吸起重达36吨的集装箱。它被称作当代“永磁之王”，是目前磁性最高的永磁材料，也是综合性能最高的一种永磁材料。“永磁之王”的研制成功，使各种永磁器件实现了超小型化。例如，美国通用汽车公司在1000cc汽车发动机上采用这种永磁体后，发动机重量减少近50%，体积也小了将近一半。

在Nd-Fe-B稀土永磁制作的电机中添加极少量的镝（Dy）和铽（Tb）就能够使电机中的磁铁变轻90%，它们是绿色能源产品的魔法配料。稀土元素镝和铽非常紧缺，世界上99%的镝和铽产自中国南方的广东、四川、江西等地。但开采过程却充满污染风险，用来提取稀土元素的酸性物质可能会进入溪涧和河流，破坏稻田及渔场，污染水源，会引发极其恶劣的环境问题。严重缺乏稀土的日本、富产稀土但封存了本国稀土矿的美国等发达国家，因此而转从中国进口大量廉价稀土，给中国的生态环境造成了重大压力。

纳米技术让“磁力”倍增

由于各国对节能减排的要求不断提高，电动汽车和风力发电等领域也对稀土永磁体的磁性能和体积提出了更高的要求。然而，当前Nd-Fe-B永久磁铁的最高磁能积数值已经非常逼近其理论极限值（64MGOe），利用传统的磁体制备技术很难再提高其磁性能，所以新的制备技术成为世界各国探索的焦点。

20世纪90年代以来，中国、美国、日本、韩国等都在积极研究用纳米技术制造一种被称为“纳米复合永磁体”的新型稀土永久磁铁。它是利用纳米技术将永磁材料和软磁材料相互复合在一起而形成的，拥有着远远高于现有Nd-Fe-B永久磁铁的2倍以上的磁能积，理论数值高达90~120MGOe。

为何新型永磁体会有超强的“磁力”呢？在纳米技术制作新型永磁体原理图中（图1），横軸截矩代表磁体的矫顽力（磁体保持磁力、抵抗外界干扰的能力），永磁材料的此数值较高；纵軸截矩代表着磁体的剩磁（代表磁力大小），软磁材料则更胜一筹。曲线和纵、横坐标軸之间包围着的最大矩形面积代表着磁体的磁能积，此面积越大代表磁体的磁能积越大。

永磁材料具有较高的矫顽力（横軸坐标），而且传统技术对此指标提高前景有限，如果要进一步提高其磁能积，就只能通过提高其剩磁（纵軸坐标）。而恰好软磁材料具有较高的剩磁。通过研究发现，只要在纳米尺度上将永磁材料和软磁材料复合在一起，就可以利用纳米技术制作出新型永磁体。这类磁体由于同时兼具了软磁材料的较高剩磁和永磁材料的较高矫顽力两大优势，就会在第二象限与坐标軸包围着比传统永磁体更大的矩形面积，也就是说新型永磁体能够具有前所未有的高磁能积。

纳米永磁材料具体是如何制成的呢？首先，利用纳米技术以物理或者化学合成的方式研制出高性能的永磁纳米颗粒；然后，在这些永磁纳米颗粒上均匀地包裹上一层软磁性的铁纳米颗粒，就形成了软磁性/永磁性的纳米复合颗粒；然后通过高压成型、高温烧制，就可以获得高性能的新型稀土永磁体。其中，最为关键的环节是如何用纳米技术制备或者合成高性能的纳米复合颗粒，这也正是利用纳米技术制作新型永磁体的微妙之处。

新型永磁体将改变生活

根据理论推算，利用一片直径为12.5厘米的这种新型纳米复合永磁体，将足以吸起7吨重的卡车。新型永磁体的磁能积的大幅增加，将大大缩小永磁材料体积，可以使新兴的电动汽车更加小巧灵活，也可以使庞大的核磁共振扫描仪变成便携手提式，甚至可以使曾经难以想象的10兆瓦风力发电机成为可能，进而形成小到可以放进掌心，却可以为一艘小型邮轮提供动力的强力磁铁。

不但如此，新型永磁体大量使用了廉价的铁元素，降低了稀土元素特别是资源稀缺、价格昂贵的镝和铽的用量，减小实际使用的体积和质量，从而大幅降低了原材料成本，并有效提高了磁性能。这非常有助于减少世界各国对中国稀土资源的依赖，有助于保护我国的生态环境。

【责任编辑】张小萌