什么是永磁体？

什么是永磁体？

2024/10/30

永磁体

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-所有电子设备中安装的重要组件-

用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

什么是永磁体？

磁铁有多种类型，“永磁铁”在施加外部能量（磁化）后永久保持其磁力，因此非常易于使用，并用于各种设备中。永磁体以磁铁矿的形式自然存在，但现在也可以工业生产。另一方面，电磁体仅在电流流过时才会产生磁力。电机由永磁体和电磁体组合而成，随着汽车和其他车辆的电动化程度越来越高，对永磁体的需求也在不断增加。此外，随着电机输出的增加，需要超越目前最高性能和最流行的钕磁体的新型永磁体。

什么是永磁体？它的多功能性和对高性能磁铁不断增长的需求

　永磁体是家用电器和精密机械等各种设备的重要部件，特别是那些配备电机和风扇的设备。随着各种设备的电气化程度越来越高，需要具有更高性能的永磁体。

　例如，电动汽车和混合动力汽车需要高性能电机，而强大的磁铁对于实现它们至关重要。最近，人们尝试使飞机电气化，而这些部件需要小型、轻质和高性能的磁体。风力发电机的结构与电机类似，可再生能源相关设备也需要高性能磁铁。

永磁体的类型和最强的“钕磁体”

　永磁体有着悠久的历史，磁铁矿等天然磁体早在公元前就为人所知。

　永磁体给人类带来的方便之处在于，它们无需外部做任何事情，就能持续发出“磁力”，而且磁力即使在没有接触的情况下也能发挥作用。利用这一特性，磁铁已被用于各种设备和技术中。

　人造永磁体的开发也在取得进展。磁铁的种类很多，包括氧化物磁铁（铁氧体磁铁等）和金属磁铁（铝镍钴磁铁、钕磁铁、钐钴磁铁等）。还开发了通过将金属磁体粉末化并将其捏合到橡胶或塑料中制成的粘结磁体。

目前人工制造的最强永磁体是钕磁铁（Nd）₂铁₁₄B)。它由钕 (Nd)、铁 (Fe) 和硼 (B) 原子晶体组成，由日本 Masato Sakawa 博士和 John J Kroet 博士在 20 世纪 80 年代初大约同一时间开发出来。自开发以来，钕磁铁已在世界各地得到应用。

　为了提高磁体的性能，需要在凝固之前将材料制成尽可能小的颗粒，但与其他永磁材料相比，在制造钕磁体时可以非常顺利地做到这一点。当金属晶体制成超细粉末并烧结时，形成密度高、颗粒间距适当的致密体。由于这些特性，钕磁铁非常完美，可以达到其理论性能的95%，并得到广泛的应用。

提高磁铁的性能和钕磁铁的问题

虽然钕磁铁具有高性能，但性能的提升几乎达到了极限。评价磁铁性能的轴包括饱和磁荷、矫顽力和耐热性，但耐热性是钕磁铁的弱点。当永磁体被加热时，它会逐渐失去磁力。磁铁完全失去磁力的温度称为居里温度，对于钕磁铁而言，该温度约为 310 摄氏度。然而，汽车电机和其他设备必须在恶劣的高温环境下工作，需要具有更高居里温度的磁体。因此，需要比钕磁铁更强的磁铁（后钕磁铁）。

　还有原材料采购的问题。钕磁铁的主要原材料钕，以及作为提高耐热性的添加剂所需的镝和铽，都是依赖进口的稀有元素（稀土），并且由于产地不同，存在价格飙升或变得难以获得的风险。

AIST 致力于开发下一代磁铁

　AIST 正在进行各种研究，旨在开发后钕磁铁。

目前最流行的化合物是钐铁氮磁铁（Sm），一种非钕磁铁。₂铁₁₇N₃，钐铁磁铁）。理论上，这种化合物的矫顽力可以是钕的三倍以上。为了实现钐铁磁铁的商品化，我们正在开发超细粉末的制造技术、粉末烧结和固化的粉末冶金技术以及改变晶体结构的技术。

　制造此类非钕磁体的挑战在于粉末的烧结和固化过程。在钕磁体中，在烧结过程中产生液相以促进烧结，但在非钕磁体中，不出现该液相。此外，由于温度升高时容易分解，因此还需要低温高压下的加工技术。

　此外，许多高性能磁体候选材料的性能由于氧化而显着恶化。为此，我们还正在研发“低氧粉末冶金技术”，从复合破碎到烧结一系列工序均在低氧环境下进行。最近，我们不仅尝试改变烧结工艺，还尝试制造适合它的粉末。

　此外，人工智能利用和计算科学领域的专家正在研究如何有效地制造产品，这将导致利用计算科学开发更高效的制造流程（AIST杂志）材料信息学和过程信息学将会发生什么变化？」）。

　永磁体是工业的基本组成部分之一，但目前还没有任何产品能超越 40 多年前推出的钕磁体。如果现在能够制造出一种新型的高性能磁体，那么它肯定会很快在各个领域得到普及，而且这是一个潜力巨大的领域。我们将继续与需要永磁体的公司（例如材料制造商和电机制造商）以及从事回收利用的公司合作开发高性能永磁体。