永磁材料，又稱為硬磁材料，是指被外部磁場(chǎng)磁化后，去除外部磁場(chǎng)仍可以長(zhǎng)期保持強(qiáng)磁性的一類磁性材料，通常具有寬磁滯回線、高矯頑力和高剩磁等特性。永磁材料在人類社會(huì)的電氣化和信息化進(jìn)程中起到了至關(guān)重要的作用。例如：在電氣化時(shí)代，電機(jī)（包括發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)）是主要的能量轉(zhuǎn)化裝置，永磁材料在電機(jī)中作為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵元件；在信息時(shí)代，永磁材料作為恒定磁場(chǎng)源而廣泛用于衛(wèi)星、雷達(dá)、手機(jī)、計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器、音響、耳機(jī)等諸多領(lǐng)域。永磁材料的發(fā)展經(jīng)歷了天然磁石、金屬永磁材料、鐵氧體永磁材料和稀土永磁材料等4個(gè)階段。最大磁能積是評(píng)估永磁材料性能的重要參數(shù)。磁能積是退磁曲線上任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積，表示磁極間的氣隙空間的磁能量密度，用于衡量磁體對(duì)外做功的能力。磁能積越大，產(chǎn)生同樣效果時(shí)所需磁材料越少。高磁積能的永磁材料是實(shí)現(xiàn)電機(jī)和電子電氣設(shè)備小型化、輕量化的基礎(chǔ)。以釹鐵硼合金為代表的第三代稀土永磁材料的最大磁能積超過400kJ/m3，是目前磁積能最高的永磁材料，被稱為“永磁之王”。天然磁石是人類最早發(fā)現(xiàn)和使用的永磁材料，距今已有4000多年的歷史，其化學(xué)成分為四氧化三鐵（Fe3O4）。春秋時(shí)期的《鬼谷子》有“鄭人取玉也，載司南之車”的記載，司南是中國(guó)古代利用天然磁石制造的最早用于辨識(shí)方向的儀器，被列為中國(guó)古代四大發(fā)明之一。天然磁石的最大磁能積約為1kJ/m3。金屬永磁材料是以鐵、鈷、鎳為重要組元的永磁材料，先后發(fā)展出碳鋼、鎢鋼、鉻鋼、鈷鋼，以及鐵鎳鋁（FeNiAl）和鋁鎳鈷（AlNiCo）永磁合金。大約在18世紀(jì)70年代，英國(guó)物理學(xué)家奈特（Gowin Knight）制備了最大磁能積約為1.6kJ/m3的碳鋼永磁體。1880年前后，通過向碳鋼中添加鎢形成的鎢鋼取代了碳鋼作為永磁材料，其最大磁能積提高到2.4kJ/m3。后來，人們發(fā)現(xiàn)向碳鋼中添加鉻也有類似鎢鋼的效果。1917年，日本物理學(xué)家本多光太郎（Kotaro Honda）發(fā)現(xiàn)添加35%的鈷可以使最大磁能積提高到7.6kJ/m3。1930年，英國(guó)成立了鈷磁鐵協(xié)會(huì)。1931年，日本材料學(xué)家三島德七（Tokushichi Mishima）在研究鐵鎳合金的磁化不可逆性時(shí)，發(fā)現(xiàn)在鐵中加入鎳、鋁可形成鐵鎳鋁永磁合金，最大磁能積達(dá)到10kJ/m3。1934年，三島德七在鐵鎳鋁合金基礎(chǔ)上添加鈷、銅等元素，發(fā)明了鋁鎳鈷永磁合金。經(jīng)過工藝的不斷改進(jìn)，到20世紀(jì)60年代，鋁鎳鈷永磁合金的最大磁能積達(dá)到了76kJ/m3。在20世紀(jì)60至70年代稀土永磁材料發(fā)明前，鋁鎳鈷永磁合金是性能最高的永磁材料，一度占全球永磁材料使用量的80%。鐵氧體永磁材料是將三氧化二鐵（Fe2O3）、氧化鍶（SrO）或氧化鋇（BaO）通過預(yù)燒、破碎、球磨、制粉、成型、燒結(jié)、機(jī)械加工等陶瓷工藝的方法制造而成的。1952年，飛利浦（美國(guó)）公司發(fā)明第一種基于鋇的鐵氧體永磁材料。基于鍶的鐵氧體永磁材料的最大磁能積可達(dá)到28kJ/m3。因原材料便宜、工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，鐵氧體永磁材料在20世紀(jì)70年代發(fā)展迅速，產(chǎn)量躍居永磁材料首位。稀土永磁材料是以稀土金屬與鐵、鈷、鎳等過渡金屬構(gòu)成的合金為基體制成的永磁材料，目前已經(jīng)發(fā)展至第三代。第一代稀土永磁材料是釤鈷合金SmCo5 具有CaCu5型晶體六角結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使其有較高的磁晶各向異性，理論最大磁能積可達(dá)244.9kJ/m3。1959年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家內(nèi)斯比特（Ethan A. Nesbitt）最早研究了稀土-鈷金屬間化合物的磁性能，最初主要研究釓鈷合金GdCo5。1960年，美國(guó)海軍奧德南斯實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家哈伯德（William M. Hubbard）發(fā)現(xiàn)GdCo5具有較強(qiáng)的磁晶各向異性。1967年，美國(guó)戴頓大學(xué)的奧地利物理學(xué)家斯特納特（Karl J. Strnat）采用粉末冶金法制備出第一種稀土永磁材料——釔鈷合金YCo5，其最大磁能積約為7kJ/m3。同年，斯特納特用同樣的方法制備出最大磁能積約64kJ/m3的SmCo5，這標(biāo)志著稀土永磁時(shí)代由此開啟。1968年，荷蘭材料學(xué)家布肖（Kurt H. J. Buschow）改進(jìn)了粉體壓制工藝，將SmCo5的最大磁能積提高到147kJ/m3，刷新了當(dāng)時(shí)永磁材料磁能積的記錄。20世紀(jì)70年代，SmCo5永磁材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化。然而，由于釤的儲(chǔ)量稀少而鈷是重要的戰(zhàn)略金屬，SmCo5價(jià)格昂貴，難以大規(guī)模應(yīng)用。第二代稀土永磁材料是釤鈷合金Sm2Co17在高溫下為穩(wěn)定的Th2Ni17型六角結(jié)構(gòu)，在低溫下為Th2Ni17型菱方結(jié)構(gòu)。通過向Sm2Co17合金中添加鐵元素以部分取代晶體中的鈷可提高其磁性能，理論上最大磁能積為270kJ/m3。1977年，日本TDK公司科學(xué)家小島輝彥（Teruhiko Ojima）研究了鋯、鎳、鉭等元素對(duì)永磁合金磁性能的影響，開發(fā)出化學(xué)式為Sm2（Co, Cu, Fe, Zr）17的永磁合金，其最大磁能積達(dá)到238kJ/m3，這標(biāo)志著第二代稀土永磁材料的誕生。目前，可量產(chǎn)的高性能Sm2Co17的最大磁能積已達(dá)到264kJ/m3，接近理論極限。Sm2Co17因優(yōu)良的磁穩(wěn)定性、高溫磁性能、抗氧化及抗腐蝕性，至今仍被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工、高端電機(jī)等領(lǐng)域。第三代稀土永磁材料是釹鐵硼合金Nd2Fe14B?理論上最大磁能積為523.8kJ/m3。1982年，日本住友特殊金屬公司科學(xué)家佐川真人（Masato Sagawa）使用傳統(tǒng)的粉末冶金法制備出化學(xué)式為Nd15Fe77B8的釹鐵硼永磁合金，其最大磁能積達(dá)到290kJ/m3。同年，美國(guó)通用汽車公司科學(xué)家克羅特（John J. Croat）發(fā)明了用樹脂材料黏結(jié)亞微米級(jí)晶粒的快速凝固法來制備釹鐵硼永磁材料。由于樹脂黏結(jié)劑是非磁性材料且難以控制磁晶粒的晶軸取向，其最大磁能積僅能達(dá)到114kJ/m3。目前，大多數(shù)高性能釹鐵硼永磁材料采用粉末冶金法制備，但粉末冶金法難以制備形狀復(fù)雜、精度要求高的磁體，因此快速凝膠法制備的薄壁、高長(zhǎng)徑比的環(huán)形黏結(jié)磁體在各種類型的電機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。1985年，美國(guó)通用汽車公司物理學(xué)家李（Robert W. Lee）發(fā)現(xiàn)高溫塑性變形可以改善晶體排列，制備出最大磁能積約為320kJ/m3的釹鐵硼永磁材料。1990年，中國(guó)材料學(xué)家謝宏祖制備出最大磁能積為415kJ/m3的釹鐵硼永磁材料，被美國(guó)航空航天局采用。2000年，日本豐田中央研究所研究員金子裕治（Yuji Kaneko）制備出最大磁能積為444kJ/m3的釹鐵硼永磁材料，并實(shí)現(xiàn)了400kJ/m3的高性能釹鐵硼永磁材料的量產(chǎn)。釹鐵硼永磁材料是應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車、家用電器、機(jī)器人、智能制造、高端醫(yī)療裝備、磁懸浮和高能物理等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。
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